Imprimantes 3D à poudre métallique

Vue d'ensemble

Imprimantes 3D à poudre métallique utilisent un laser ou un faisceau d'électrons pour faire fondre et fusionner de manière sélective une poudre métallique en un objet solide en 3D. Cette technologie de fabrication additive permet de créer des géométries complexes et des pièces légères directement à partir de données de CAO en 3D.

Comparée aux méthodes soustractives traditionnelles telles que l'usinage CNC, l'impression 3D de métaux permet de réaliser des conceptions complexes sans les contraintes habituelles liées à l'accès aux outils ou au nombre élevé de pièces issues de l'assemblage. Elle offre une liberté de conception et réduit les délais de mise sur le marché des composants légers pour les applications aérospatiales, automobiles, médicales et industrielles générales.

Cependant, le processus peut être plus lent et plus coûteux par pièce en fonction des exigences de volume. Pour obtenir des composants denses, sans vide et dotés des propriétés mécaniques souhaitées, il faut optimiser de multiples paramètres d'impression et étapes de post-traitement.

Types de Imprimantes 3D à poudre métallique

Deux technologies principales sont utilisées pour la fusion de lits de poudres métalliques : le frittage direct par laser (DMLS) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Les principales différences résident dans la source de chaleur, les conditions atmosphériques, les options de poudre et les applications :

Imprimantes DMLS utilisent un laser à fibre haute puissance contrôlé avec précision par des scanners à galvo ou des miroirs pour faire fondre sélectivement des couches microscopiques de poudre métallique dans une atmosphère inerte d'argon. Des structures complexes et délicates avec des détails très fins peuvent être produites avec une grande précision et une finition de surface lisse.

Les systèmes DMLS les plus populaires sont la série EOS M, les machines laser GE Additive Concept, l'imprimante laser quadruple Renishaw RenAM 500 et l'imprimante open-source Lulzbot TAZ Pro.

Imprimantes EBM exploite un faisceau d'électrons comme source de chaleur à haute intensité pour faire fondre entièrement des couches de poudre métallique dans le vide. Le faisceau à balayage rapide permet des taux de fabrication très élevés, mais une résolution plus grossière, de l'ordre de 100 microns.

L'EBM permet d'imprimer efficacement des structures poreuses utilisées comme implants osseux. Les principaux systèmes EBM sont fabriqués par ARCAM, désormais une marque de GE Additive, qui construit les imprimantes Arcam EBM Spectra H, Q10plus et Q20plus.

Matériaux en poudre métallique

La plupart des poudres métalliques commerciales destinées à l'impression 3D sur lit de poudre répondent aux spécifications suivantes :

Alliages courants Les matériaux utilisés sont le titane, l'aluminium, l'acier inoxydable, les superalliages de nickel et le cobalt-chrome. Nombre d'entre eux sont personnalisés pour les processus d'AM et optimisés après un recyclage répété.

Le titane de grade 5 Ti6Al4V est apprécié pour son rapport résistance/poids et sa biocompatibilité. Les composants en alliage d'aluminium AlSi10Mg et en acier maraging ont une résistance élevée. Le cobalt-chrome est largement utilisé pour les implants dentaires et médicaux.

Les superalliages au nickel comme l'Inconel 718 et 625 offrent une excellente résistance à la chaleur et à la corrosion à haute température. Les aciers à outils peuvent être durcis après impression jusqu'à 60 HRC pour une résistance extrême à l'usure.

Les poudres de métaux exotiques sont qualifiées au fur et à mesure que la technologie se développe : aluminium-magnésium-scandium, cuivre-nickel-étain, métaux précieux tels que l'or, le platine et l'argent ont été imprimés.

Processus d'impression

Bien que le matériel utilisé pour la DMLS et l'EBM varie, les étapes génériques de la fusion sur lit de poudre métallique sont les suivantes :

1. Modèle CAO 3D conçu en tenant compte des principes de conception de l'AM
2. Fichier STL traité par un logiciel de découpe
3. Le mécanisme de dépôt de poudre étale la couche mesurée
4. Le laser ou le faisceau électronique balaye le modèle de tranche selon le fichier.
5. Le processus se répète jusqu'à ce que l'objet complet soit construit sur une plaque de base.
6. L'excès de poudre soutient la pièce et absorbe les contraintes
7. L'imprimante récupère la poudre non fondue pour la réutiliser après filtration
8. La pièce imprimée en 3D terminée est retirée de la machine

Pour les métaux, les éléments suivants post-traitement est essentielle avant la mise en service d'une pièce :

• Enlèvement du support par découpage, sablage ou dissolution chimique
• Pressage isostatique à chaud pour éliminer les vides internes
• Traitements thermiques pour modifier la microstructure
• Finition de surface - microbillage, meulage, polissage
• Usinage de précision pour répondre aux exigences de tolérance
• Contrôles de qualité par application - précision dimensionnelle, densité, propriétés mécaniques, microstructure, défauts de surface

L'impression 3D de métaux ouvre la voie à des applications clés grâce à :

Complexité de la conception - canaux de refroidissement complexes, treillis, formes bioniques

Personnalisation - implants spécifiques au patient, alliages sur mesure

Réduction du poids - Composants aérodynamiques et automobiles plus légers

Consolidation partielle - assemblages intégrés imprimés en une seule pièce

Prototypage rapide - une itération plus rapide des conceptions

Avantages et inconvénients de l'impression 3D de métaux

Guide de l'acheteur - Imprimantes 3D à lit de poudre métallique

Le choix du meilleur système d'impression 3D par fusion sur lit de poudre métallique pour la fabrication industrielle dépend de plusieurs facteurs :

1) Construire l'enveloppe : Dimensions maximales des pièces - tailles courantes de 100 à 500 mm cubes

2) Laser / faisceau d'électrons : Puissance de 50W-5kW ; une puissance plus élevée permet des constructions plus rapides

3) Matériaux : Coût, exigences mécaniques, facilité de post-traitement, niveaux de certification

4) Précision/finition de la surface : Précision dimensionnelle et tolérances réalisables ; rugosité cible

5) Automatisation : Systèmes de manutention des poudres, tamisage, recyclage et logiciels de contrôle

6) Prix : Coût de l'équipement allant de $100k à plus de $1M ; prendre en compte les coûts d'exploitation

7) Délai d'exécution + service : Programmes d'installation des fournisseurs ; accès à l'expertise en matière d'applications

Applications de l'impression 3D sur métal

Aérospatiale

• Aérostructures et composants allégés - alliages de titane et d'aluminium
• Assemblages intégrés regroupés en une seule pièce imprimée
• Sections complexes du moteur avec canaux de refroidissement conformes
• Prototypes rapides pour la validation de la conception

Dispositifs médicaux

• Implants crâniens, rachidiens et orthopédiques sur mesure - titane et chrome cobalt
• Bio-modèles pour la planification et les guides chirurgicaux
• Implants et instruments adaptés au patient

Automobile

• Châssis léger et pièces structurelles en aluminium et en acier
• Composants automobiles personnalisés
• Consolidation de pièces complexes - blocs moteurs avec refroidissement

Fabrication industrielle

• Allègement des composants et optimisation des structures
• Consolidation des pièces pour améliorer la fonctionnalité
• Pièces de rechange à la demande avec des délais de livraison réduits
• Inserts d'outillage pour le moulage par injection de métaux avec refroidissement conforme

Fournisseurs d'imprimantes 3D à lit de poudre métallique

Poudre métallique pour l'impression 3D - Fournisseurs

Analyse des coûts

Comme la plupart des technologies additives, la fusion sur lit de poudre métallique est actuellement en cours de développement. plus cher pour les pièces individuelles produites par rapport à la fabrication de masse conventionnelle.

Cependant, il offre réduction des coûts grâce à la consolidation des pièces et à l'allègement, et l'accélération de la mise sur le marché pendant le développement du produit.

Avec les progrès constants en matière d'automatisation, d'accélération des cadences de fabrication et de production par lots, l'AM devraient devenir compétitifs par rapport aux composants usinés dans les industries à forte valeur ajoutée.

Perspectives d'avenir

La fusion sur lit de poudre métallique continuera à être adoptée pour les pièces de petite et moyenne taille qui repoussent les limites des contraintes de fabrication conventionnelles.

Les tendances actuelles en matière d'impression 3D de poudres métalliques sont les suivantes :

• Enveloppes de construction plus grandes, supérieures à 500 mm de côté
• Alliages supplémentaires validés comme le cuivre, l'or, l'aluminium
• Amélioration des propriétés des matériaux et des finitions de surface
• Balayage laser plus rapide, jusqu'à 10 m/s, pour des volumes plus importants
• Des performances mécaniques plus reproductibles d'une machine à l'autre
• Gamme élargie de qualités de matériaux sur un seul système
• Manipulation améliorée des poudres et traitement en boucle fermée
• Systèmes hybrides supplémentaires avec usinage intégré
• Contrôle et métrologie en ligne de haute qualité
• Variantes d'imprimantes et paramètres de processus spécifiques à l'industrie
• Systèmes supplémentaires à haute productivité pour la production en série

Au fur et à mesure que la technologie prolifère et devient plus compétitive en termes de coûts malgré sa complexité, l'AM transformera la fabrication dans tous les secteurs en permettant la personnalisation en masse de pièces métalliques à usage final sur demande.

FAQ

Q : Quel est le coût des Imprimantes 3D à poudre métallique et les coûts de fonctionnement associés ?

R : Les systèmes industriels d'impression des métaux vont de $100 000 à $1M+. Les coûts d'exploitation sont les plus élevés parmi les procédés d'AM - les matériaux en poudre, les atmosphères inertes et la finition représentent la majeure partie des dépenses.

Q : Quelles sont les dimensions des pièces métalliques qui peuvent être imprimées en 3D aujourd'hui ?

R : Des dimensions allant jusqu'à 500 x 500 x 500 mm sont possibles, mais la moyenne est d'environ 300 mm par côté. De nombreux composants industriels se situent dans cette fourchette. Il existe également des systèmes plus grands, d'une longueur supérieure à un mètre.

Q : Quels sont les métaux avancés développés pour l'AM au-delà des aciers conventionnels et du titane ?

R : Le développement de l'AM des métaux s'étend aux métaux réfractaires tels que le tungstène, le molybdène et le tantale, ainsi qu'aux métaux précieux utilisés dans la bijouterie, notamment les alliages d'or, d'argent et de platine.

Q : Quelle est la précision et la finition de surface d'une imprimante 3D à lit de poudre métallique ?

R : La précision dimensionnelle après post-traitement est d'environ ±0,1-0,3%, avec des tolérances de ±0,05 mm. Les surfaces verticales présentent une rugosité initiale de 5 à 15 microns. Une qualité de surface plus élevée implique un fraisage/polissage supplémentaire.

Q : Quelles sont les températures et les pressions utilisées pour fritter les impressions de poudres métalliques jusqu'à ce qu'elles atteignent leur pleine densité ?

R : Cela dépend de l'alliage, mais les paramètres courants de HIP et de frittage sont les suivants : 1100-1300°C à 100-200 MPa pendant 2-4 heures pour obtenir une densité de métal solide >99%. Les pièces obtenues par SLM ont atteint une solidité de 99,9%.

Q : Quel est le procédé d'impression 3D de métaux le plus rapide pour la production en série ?

R : En termes de vitesse de fabrication, les systèmes de fusion par faisceau d'électrons (EBM) produisent des pièces plus de quatre fois plus vite que les processus basés sur le laser, ce qui les rend intéressants pour la fabrication de pièces métalliques. Les systèmes laser s'efforcent de rattraper leur retard.

Q : L'impression 3D sur lit de poudre métallique produit-elle des pièces en matériaux isotropes ou anisotropes ?

R : En raison des gradients thermiques extrêmes entre la poudre fondue et les zones environnantes, les métaux fabriqués sur lit de poudre présentent des propriétés anisotropes où les figures de traction horizontales diffèrent des figures verticales de ~30% typiquement.

Q : Un traitement thermique est-il nécessaire pour les pièces imprimées en métal DMLS et EBM ?

R : Oui, les traitements thermiques sont nécessaires pour soulager les contraintes internes dues à la construction couche par couche et pour amener les alliages aux spécifications mécaniques cibles en matière de dureté, de ductilité, etc.

Q : Dans quelle mesure l'impression 3D de métal sur lit de poudre est-elle durable par rapport à la fabrication traditionnelle de métal ?

R : Les systèmes d'AM réutilisent plus de 90% d'excédent de poudre métallique lors de la fabrication. Et les composants imprimés nécessitent 25 à 50% de moins de matériaux de base grâce à des conceptions légères et optimisées - des avantages significatifs en termes de développement durable.

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