Fabrication additive métallique : Un guide complet

Aperçu de la fabrication additive métallique

Métal fabrication additiveLa fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D de métaux, est une technologie transformatrice qui permet de produire rapidement des pièces métalliques directement à partir de données de modèles 3D. Contrairement aux méthodes de fabrication soustractives telles que l'usinage CNC qui enlève de la matière, la fabrication additive construit des composants couche par couche en utilisant des métaux tels que l'acier inoxydable, l'aluminium, le titane, les alliages de nickel, etc.

Par rapport à la fabrication traditionnelle, l'AM des métaux offre une plus grande liberté de conception, de personnalisation et d'optimisation, ce qui permet de réduire le poids, l'utilisation de matériaux et les délais. Les pièces peuvent être consolidées en une seule pièce, dotées de canaux de refroidissement conformes ou conçues avec des formes organiques impossibles à réaliser avec le moulage ou l'usinage. L'impression 3D de métaux offre de nouvelles possibilités d'innovation dans des secteurs tels que l'aérospatiale, la médecine, l'automobile et l'énergie.

Ce guide complet fournit des détails techniques sur les différents processus d'AM métal, les matériaux, les applications, les avantages et les limites. Les informations clés sont présentées dans des tableaux faciles à comparer pour mettre en évidence les capacités et les compromis des différentes technologies d'impression 3D en métal. Lisez la suite pour découvrir comment la fabrication additive révolutionne la fabrication métallique.

Principales caractéristiques de la fabrication additive métallique :

• Production de pièces métalliques à usage final entièrement denses à partir de modèles numériques de CAO en 3D
• Ajout de matériau couche par couche, contrairement aux méthodes soustractives telles que l'usinage.
• Permet d'obtenir des géométries complexes et optimisées qui ne sont pas possibles avec le moulage ou l'usinage.
• Réduction des déchets, de la consommation d'énergie et des délais par rapport aux techniques traditionnelles
• Facilite le prototypage rapide ainsi que la production directe de pièces
• Des applications de plus en plus nombreuses dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et d'autres secteurs

Types de procédés de fabrication additive de métaux

Il existe plusieurs approches de l'impression additive de pièces métalliques. Les principales catégories de processus d'AM métallique comprennent la fusion sur lit de poudre, le dépôt d'énergie dirigée, le jet de liant et la stratification de feuilles. Chacun de ces procédés offre des possibilités uniques en termes de matériaux, de précision, de coûts, etc.

Tableau 1 : Aperçu des principaux processus de fabrication additive de métaux

Fusion des lits de poudre Les techniques de fusion par laser sélectif (SLM) et de fusion par faisceau d'électrons (EBM) sont actuellement les procédés d'AM des métaux les plus utilisés. Ils offrent une résolution élevée comparable à celle de l'usinage, de bonnes propriétés des matériaux et une large gamme de métaux, des aciers inoxydables aux alliages à base de nickel. La matière première est une fine poudre de métal qui est étalée en couches et fondue sélectivement par une source de chaleur ciblée dans une chambre à atmosphère contrôlée.

Dépôt d'énergie dirigée Des méthodes telles que le laser engineered net shaping (LENS) concentrent un bain de fusion sur un substrat, en ajoutant de la matière en continu. Cela permet de construire des pièces de plus grande taille en déposant de la poudre fondue ou des fils. La résolution est plus faible, mais la taille de la pièce n'est pas limitée comme dans le cas des méthodes sur lit de poudre. Moins de post-traitement est nécessaire, mais l'état de surface est moins bon.

Jets de liant utilise un liant liquide pour assembler des couches de poudre métallique. Les pièces "vertes" qui en résultent doivent ensuite être frittées et infiltrées avec du cuivre ou du bronze pour atteindre leur pleine densité. Bien que les options de matériaux soient actuellement limitées, le jet de liant permet de produire un grand nombre de petites pièces métalliques complexes à un prix plus abordable.

Plastification des feuilles L'industrie de la tôle relie de fines couches de tôle à l'aide d'un adhésif ou d'une soudure. Les lasers ou l'usinage CNC découpent ensuite la pile en une forme 3D. Cette méthode offre une bonne précision mais présente des limites géométriques liées à l'épaisseur de la tôle.

Chaque procédé a ses avantages et ses applications les mieux adaptées. Le choix de la bonne technologie d'AM des métaux dépend de facteurs tels que les exigences en matière de matériaux, la précision, l'état de surface, la taille du lot et le coût.

Matériaux pour la fabrication additive de métaux

Une large gamme de métaux, de l'acier inoxydable aux superalliages, peut être imprimée par fusion sur lit de poudre, par dépôt d'énergie dirigée, par projection de liant et par laminage de feuilles. Les matériaux AM métalliques les plus couramment utilisés sont les suivants

Tableau 2 : Matériaux courants pour la fabrication additive de métaux

Aciers inoxydables comme le 316L et le 17-4PH sont largement utilisés dans les industries grâce à leur solidité, leur résistance à la corrosion et leur relative facilité d'impression et de post-traitement.

Alliages d'aluminium comme AlSi10Mg permettent de fabriquer des pièces légères pour l'aérospatiale et l'automobile qui sont difficiles à usiner ou à mouler.

Alliages de titane comme le Ti64 possèdent un rapport résistance/poids élevé, idéal pour les composants structurels, ainsi qu'une biocompatibilité.

Superalliage de nickel poudre tels que l'Inconel 718 et 625 ont d'excellentes propriétés mécaniques à haute température pour des applications exigeantes.

Poudre d'alliage cobalt-chrome présentent une rigidité, une biocompatibilité et une résistance à l'usure élevées, adaptées aux implants médicaux et à l'outillage.

Aciers à outils y compris H13, D2, et l'acier Maraging offrent une dureté, une résistance et une stabilité thermique très élevées pour les outils tels que les moules d'injection ou les matrices de forgeage.

Les efforts de R&D permettent d'élargir la liste des métaux compatibles avec les processus d'AM. Des alliages plus exotiques comme l'or précieux ou le platine sont également adoptés pour des applications spécialisées comme la bijouterie ou l'électronique.

Spécifications de la fabrication additive métallique

Les facteurs clés qui définissent les capacités de toute machine d'AM métal sont le volume de construction, la résolution des couches, la précision et les matériaux pris en charge. Les exigences en matière de précision, de finition de surface et de traitement thermique dépendent de l'application spécifique.

Tableau 3 : Spécifications et capacités des équipements d'AM des métaux

Construire du volume pour la plupart des systèmes à lit de poudre et à énergie dirigée varie de quelques centimètres cubes à environ un pied cube. Des équipements plus grands sont disponibles pour les processus de projection de liant ou de laminage de feuilles.

Épaisseur de la couche pendant le processus de fabrication peut varier de 20 à 100 microns pour une résolution fine de l'ordre de la finition d'un machiniste. Des couches plus fines améliorent la finition de la surface mais augmentent également le temps de construction.

Précision L'écart entre les deux est de ±0,1-0,2 mm pour la fusion sur lit de poudre et de ±0,5 mm pour la déposition par énergie dirigée, en fonction de la machine d'AM utilisée.

Réalisable finition de la surface à l'état de construction varie de 10 à 25 microns (Ra) et de 20 à 100 microns (Rz), mais devra être améliorée par un traitement ultérieur tel qu'une finition par abrasion.

Pratiquement tous les alliages métalliques de aciers inoxydables à titane et alliages de nickel peuvent être imprimés, le choix des matériaux ayant doublé au cours des dernières années.

Fournisseurs d'équipements de fabrication additive de métaux

Plusieurs entreprises proposent des systèmes industriels d'AM des métaux ainsi que des services d'impression. Les principaux fournisseurs d'équipements de fusion sur lit de poudre, de dépôt d'énergie dirigée, de projection de liant et de laminage de feuilles sont les suivants :

Tableau 4 : Principaux fournisseurs de systèmes de fabrication additive de métaux

Entreprise allemande EOS a été le pionnier de la technologie du frittage laser direct de métaux (DMLS) et propose une large gamme d'imprimantes industrielles pour des métaux tels que le titane, l'aluminium et les alliages de nickel.

Solutions SLM propose également des équipements de fusion sur lit de poudre qui peuvent traiter des aciers, du titane, de l'aluminium et d'autres métaux avec des volumes de construction allant jusqu'à 500 pouces cubes.

HP, Desktop Metal, et ExOne Le jet de liant à effet de levier est axé sur la production en grande quantité de petites pièces complexes en acier inoxydable ou en acier allié.

Sciaky et Optomec fournir des systèmes de dépôt d'énergie dirigée pour l'impression de métaux à grande échelle à partir de superalliages de titane, d'aluminium et de nickel.

Fabrisonique utilise un procédé breveté de fabrication additive par ultrasons qui permet d'intégrer des câbles, des capteurs et d'autres éléments à l'intérieur de pièces métalliques.

Les équipements d'AM des métaux représentent généralement un investissement initial de $100 000 à $1 million ou plus en fonction de la capacité de production, bien que les prix baissent rapidement. Les coûts des matériaux varient considérablement en fonction de l'alliage spécifique utilisé.

Applications de la fabrication additive métallique

La fabrication additive métallique apporte une nouvelle liberté de conception et des capacités bien adaptées aux applications aérospatiales, médicales, automobiles et industrielles générales telles que :

Aérospatiale: Supports légers et structures complexes, composants de moteur avec refroidissement conforme, et consolidation des pièces pour réduire le poids, l'utilisation de matériaux et les délais d'exécution.

Médical: Implants orthopédiques personnalisés, instruments chirurgicaux à parois minces et structures en treillis pour améliorer l'ostéointégration avec l'os, restaurations dentaires.

Automobile: Structures légères en treillis, personnalisation de masse des composants, outillage comme les gabarits et les montages pour améliorer les flux de travail en usine.

Industrie/Consommation: Éclairage, mobilier, articles de sport et instruments de musique utilisant des formes organiques, la personnalisation de masse et des structures légères en treillis.

Outillage: Les canaux de refroidissement conformes peuvent être intégrés dans les moules d'injection, les matrices et les inserts d'outillage afin de réduire les temps de cycle. Les pièces de rechange pour l'outillage peuvent être livrées rapidement.

Pétrole et gaz: Raccords de tuyauterie sur mesure, composants structurels tels que les gréements et les blocs de vannes pour les environnements à haute pression/corrosifs.

Cette technologie est également utilisée pour l'outillage rapide, les montages et le prototypage dans le cadre du développement de produits dans de nombreuses industries. Voici quelques exemples d'applications de l'AM des métaux et de ses avantages par rapport à la fabrication conventionnelle :

Tableau 5 : Applications et avantages de la fabrication additive métallique

La fabrication additive offre aux ingénieurs une liberté de conception sans précédent pour fabriquer des composants métalliques qu'il n'est ni possible ni économique de couler, d'usiner ou d'utiliser d'autres techniques de fabrication conventionnelles.

Avantages et inconvénients de l'AM des métaux

Par rapport à la fabrication soustractive et à d'autres méthodes traditionnelles de fabrication de métaux, l'AM présente plusieurs avantages clés, mais aussi des limites à prendre en compte :

Tableau 6 : Fabrication additive métallique - Avantages et inconvénients

Les principaux avantages de l'AM des métaux sont les suivants liberté de conception, consolidation partielle, personnalisationet un développement plus rapide des produits cycles. L'allègement et les économies de matériaux sont également possibles pour des industries telles que l'aérospatiale et l'automobile.

Cependant, les plus petits construire des volumes, plus élevé coûtset l'absence de matériel La disponibilité à l'échelle commerciale reste un obstacle par rapport à la fabrication traditionnelle. La plupart des applications de l'AM des métaux sont mieux adaptées aux volumes de production faibles à moyens, où les avantages de la personnalisation et de la réduction des délais d'exécution l'emportent sur les coûts plus élevés des pièces imprimées aujourd'hui.

Avec la baisse des prix des équipements et des matériaux pour l'AM des métaux, les volumes de production et les applications vont continuer à se développer dans de plus en plus d'industries. Grâce aux progrès réalisés en matière de qualité et à l'augmentation de la taille des pièces fabriquées, l'adoption de cette technologie s'accélérera pour la fabrication en grande série.

L'avenir de la fabrication additive métallique

Bien qu'il s'agisse encore d'une technologie émergente, la fabrication additive métallique est appelée à connaître une croissance significative dans les années à venir. L'expansion des applications, l'arrivée de nouveaux acteurs et l'adoption croissante de cette technologie dans les chaînes d'approvisionnement stimuleront l'expansion du marché.

• Le marché mondial de l'AM des métaux devrait dépasser $15 milliards d'euros d'ici 2028, soit plus du double par rapport à 2021. Les secteurs de l'aérospatiale et de la médecine devraient représenter plus de 50% de la demande.
• Les fabricants de systèmes mettent au point des machines à plus grand volume de production, des équipements multi-laser et à plus grande productivité, axés sur les applications de production en série.
• Au-delà des superalliages de nickel, d'autres matériaux sont désormais disponibles, notamment de l'aluminium et des aciers plus résistants, des métaux précieux, du magnésium, de l'acier à outils et bien d'autres encore.
• La qualité et la répétabilité continuent de s'améliorer grâce à des commandes de machines et des logiciels avancés, ainsi qu'à des flux de travail rationalisés permettant de minimiser les essais et les erreurs.
• L'optimisation de la chaîne d'approvisionnement grâce à l'AM gagne du terrain dans tous les secteurs, car les délais de livraison diminuent et la technologie devient plus rentable pour les composants d'utilisation finale que pour le simple prototypage.
• La fabrication personnalisée et décentralisée pourrait réduire les risques liés à la chaîne d'approvisionnement et les coûts logistiques. La production locale à la demande est appelée à se développer.
• Les gouvernements investissent considérablement dans la recherche sur l'AM des métaux industriels, dans les programmes de développement de la main-d'œuvre et dans le développement d'écosystèmes de fabrication régionaux autour de la technologie.

Bien qu'elle soit encore en phase de maturation, la fabrication additive métallique a démontré des avantages évidents par rapport à la fabrication conventionnelle dans diverses applications, des moteurs aérospatiaux aux implants adaptés aux patients. À mesure que de plus en plus d'acteurs de la chaîne d'approvisionnement adoptent l'AM, celle-ci est en mesure de transformer la fabrication et d'ouvrir une nouvelle ère d'innovation en matière de conception.

Questions fréquemment posées sur le métal AM

Q : Quels sont les matériaux compatibles avec l'impression 3D de métaux ?

R : La plupart des métaux industriels peuvent être imprimés, notamment les aciers inoxydables, les alliages d'aluminium, le titane, les aciers à outils, les superalliages de nickel, etc. Certains procédés permettent également d'imprimer des métaux précieux tels que l'or, l'argent et le platine.

Q : Quelle est la précision de la fabrication additive métallique ?

R : La précision dimensionnelle de la plupart des procédés de fusion en lit de poudre est d'environ ±0,1-0,2 mm, comme pour l'usinage CNC. Le dépôt par énergie dirigée est de ±0,5 mm ou plus.

Q : L'AM des métaux nécessite-t-elle un post-traitement ?

R : Un post-traitement tel que la finition de la surface et le traitement thermique est généralement nécessaire. Les structures de support sont retirées et la surface est usinée, poncée ou traitée chimiquement pour lisser et finir les pièces.

Q : Quels sont les avantages de l'AM par rapport au moulage ou à l'usinage ?

R : Les avantages sont notamment la liberté de conception, la légèreté des structures, la consolidation des pièces, la réduction de l'outillage, l'accélération des délais, la personnalisation de masse, etc. L'AM permet d'optimiser les formes, ce qui n'est pas possible avec les techniques soustractives.

Q : Quels sont les secteurs qui favorisent l'adoption de l'impression 3D de métaux ?

R : Les secteurs de l'aérospatiale, du médical/dentaire, de l'automobile et de l'industrie sont les plus gros utilisateurs aujourd'hui. Cette technologie est idéale pour les productions complexes à faible volume où la personnalisation et la réduction du poids sont des avantages.

Q : Quel est le coût de l'AM des métaux par rapport à la fabrication conventionnelle ?

R : Les pièces métalliques imprimées restent plus chères pour la production de masse. Pour les petits lots de moins de 1 000 unités, l'AM peut être compétitif en termes de coûts et compensé par les avantages de la flexibilité de la conception, d'un délai de mise sur le marché plus rapide, de la consolidation des pièces et de la personnalisation.