Imprimantes 3D à lit de poudre

Vue d'ensemble

Imprimante 3d à lit de poudre est une technologie de fabrication additive bien adaptée au traitement des thermoplastiques et des métaux techniques à haute performance qui ne peuvent pas être imprimés facilement avec des méthodes basées sur l'extrusion. Un laser ou un faisceau d'électrons fusionne sélectivement des régions d'un lit de poudre, couche par couche, sur la base de données de CAO, pour construire des objets complexes en 3D.

Les principales sous-catégories sont les suivantes

Fusion sur lit de poudre de polymère (PBF) en utilisant un laser CO2 ou IR, et Fusion de lits de poudre métallique (MPBF) utilisant des lasers à fibre ou des faisceaux d'électrons. Ces deux techniques offrent des fonctionnalités compétitives impossibles à obtenir avec les techniques de fabrication traditionnelles en termes de légèreté, de consolidation de l'assemblage, de personnalisation de masse et d'amélioration des performances.

Ce guide fournit un aperçu technique des différentes technologies et matériaux d'impression 3D sur lit de poudre, ainsi que des applications, des considérations relatives aux systèmes et des tendances futures.

Types de Imprimantes 3D à lit de poudre

Il existe plusieurs types d'équipements de fabrication additive qui exploitent l'approche de la fusion sur lit de poudre :

Imprimantes à fusion à lit de poudre de polymère

Frittage sélectif par laser (SLS) distribuent une fine couche de poudre de polymère dans une chambre de fabrication et appliquent l'énergie thermique d'un faisceau laser CO2 en fonction de chaque section transversale du modèle CAO 3D. La poudre fond ou sintérise en chauffant et se solidifie en refroidissant pour devenir l'objet.

Les matériaux les plus utilisés pour la SLS sont les suivants :

• Nylon (PA12, PA11, PA6)
• Elastomères thermoplastiques (TPE)
• TPU et autres résines flexibles avancées

Les principaux fabricants d'imprimantes SLS sont EOS, 3D Systems, Farsoon et Ricoh.

Fusion à jets multiples (MJF) utilise également des lits de poudre de polymère, mais un agent de fusion et un agent de finition sont déposés sélectivement par des têtes d'impression à jet d'encre à travers les couches, ainsi qu'un chauffage infrarouge pour obtenir des impressions à haute résolution. Il permet de réaliser des objets multi-matériaux et multi-couleurs. Résines MJF courantes :

• HP 3D Haute réutilisation PA12
• HP 3D Haute réutilisation PA11
• HP 3D Haute réutilisation TPA

HP est aujourd'hui le principal fournisseur de la technologie MJF avec sa série Jet Fusion. Desktop Metal a également mis sur le marché le système Fiber AM basé sur la technique MJF.

Imprimantes à fusion à lit de poudre métallique

Fusion sélective par laser (SLM) concentre l'énergie extrêmement précise d'un laser à fibre dans un environnement de gaz inerte sur de fines couches de poudre métallique pour faire fondre et fusionner les particules en structures denses, couche par couche, en se basant directement sur les géométries CAO.

Fusion par faisceau d'électrons (EBM) Les imprimeurs utilisent un puissant faisceau d'électrons comme source de chaleur de consolidation pour faire fondre complètement les particules de poudre métallique à travers chaque couche dans une atmosphère sous vide. Le traitement rapide permet d'obtenir des composants dont les propriétés se rapprochent de celles des matériaux coulés.

Les alliages courants pour le MPBF sont les suivants :

• Acier inoxydable (316L, 17-4PH, 15-5)
• Acier à outils (H13, S7)
• Alliages de titane (Ti-6Al-4V)
• Alliages d'aluminium (AlSi10Mg)
• Superalliages de nickel (Inconel 718)
• Cobalt chrome (CoCr)

Tous les principaux fournisseurs d'équipements d'AM métal comme EOS, Renishaw, 3D Systems, GE et SLM Solutions proposent des machines de fusion sur lit de poudre.

Processus d'impression pour Imprimante 3d à lit de poudre

Les étapes génériques du flux de travail de la fabrication additive sont communes à toutes les variantes de la fusion sur lit de poudre :

1. Importation du modèle CAO et orientation optimale de la pièce
2. Découpe virtuelle et génération de trajectoires de balayage laser
3. Répartir la quantité de poudre mesurée uniformément sur la surface de travail.
4. Faire fondre sélectivement le matériau en fonction du tracé de la section à l'aide d'un laser ou d'un faisceau d'électrons.
5. Abaisser la plaque de construction et recouvrir la nouvelle couche de poudre
6. Répéter le cycle de stratification jusqu'à ce que l'objet complet et les supports soient construits.
7. Retirer l'objet du gâteau de poudre et récupérer les régions non fondues
8. Post-traitement des pièces - nettoyage, traitement thermique, usinage, etc.

Tous les procédés sur lit de poudre exigent un traitement ultérieur important, comme l'élimination des supports, l'usinage de la surface et les traitements avant l'utilisation fonctionnelle.

Matériaux pour imprimante 3d à lit de poudre

Propriétés des poudres polymères

Types de poudres métalliques

Applications de l'imprimante 3D à lit de poudre

Pièces en polymère

• Prototypes fonctionnels dont les propriétés ressemblent à celles des plastiques du monde réel
• Biens de consommation personnalisés tels que les étuis de téléphone portable ou les chaussures
• Intérieurs d'automobiles et composants d'éclairage
• Moules à induction et gabarits et montages
• Moules et conduits haute température pour produits chimiques

Composants métalliques

• Prototypes d'aubes de turbines et d'injecteurs de carburant pour l'aérospatiale
• Implants en titane biocompatibles pour les genoux, les hanches, la chirurgie crânienne et rachidienne
• Châssis légers, freins et pièces du groupe motopropulseur pour les voitures de course et les avions
• Canaux de refroidissement conformes intégrés aux moules d'injection
• Chapes et bridges dentaires sur mesure
• Collecteurs d'échappement et inserts d'outillage résistants à la chaleur

Guide de l'acheteur pour Imprimantes 3D à lit de poudre

Le choix d'un système de fusion sur lit de poudre idéal dépend de plusieurs facteurs :

Certains modèles de premier plan s'étendent :

Démarrage - Système EOS Formiga P110 SLS, $100K

Professionnel - 3D Systems DMP Factory 500, $400K

Industriel - GE Additive X Line 2000R, >$1M

Perspectives d'avenir

Les systèmes de fusion en lit de poudre continueront d'évoluer :

• Enveloppes de construction plus grandes de plus de 500 mm de long
• Autres matériaux polymères tels que PEKK et PPSF
• Alliages à haute performance mécanique
• Amélioration de la recyclabilité des poudres et du traitement en circuit fermé
• Finitions de surface révolutionnaires sans usinage
• Surveillance et ajustements intégrés en temps réel du bassin de fusion
• Systèmes hybrides supplémentaires avec assurance qualité en ligne
• Augmentation considérable de la productivité grâce à une puissance laser plus élevée et à des vitesses de balayage plus rapides

À mesure que les obstacles techniques seront surmontés et que les coûts de production seront optimisés, l'AM transformera la fabrication dans des secteurs allant de l'aérospatiale, des appareils médicaux et de l'automobile aux produits de consommation, en permettant la fabrication distribuée et décentralisée de composants d'utilisation finale à des volumes commerciaux.

FAQ

Q : Quel est le coût des machines d'impression 3D en métal par fusion sur lit de poudre par rapport aux systèmes en plastique ?

R : Les imprimantes industrielles à lit de poudre métallique vont de 1T4 300 000 à plus de 1T4 1 million, tandis que les équipements à base de polymères commencent à 1T4 100 000. Les coûts d'exploitation sont également 5 à 10 fois plus élevés pour les matériaux métalliques et le traitement inerte.

Q : Quelles sont les dimensions des pièces qui peuvent être imprimées en 3D avec la technologie de fusion sur lit de poudre ?

R : Les machines en métal permettent de fabriquer des volumes allant jusqu'à des cubes de 500 x 500 x 500 mm, tandis que les polymères peuvent atteindre des dimensions de 800 x 500 x 375 mm. Des enveloppes plus grandes, de plus d'un mètre de long, sont également disponibles.

Q : Quels matériaux peuvent être traités par l'impression 3D sur lit de poudre ?

R : Tous les thermoplastiques de haute performance et de qualité technique comme le PEEK, l'ULTEM, le PPSF peuvent être imprimés, ce qui est difficile pour l'extrusion FDM. Sur les métaux, les aciers inoxydables, les alliages de titane et de nickel, les aciers à outils, le chrome cobalt et d'autres encore peuvent être imprimés.

Q : Quelle est la précision et la finition de surface d'une imprimante à lit de poudre avant tout post-traitement ?

R : La précision dimensionnelle après post-traitement est d'environ ±0,1-0,3% et des tolérances inférieures à 50 microns sont possibles. La rugosité de la surface telle qu'elle est imprimée varie considérablement entre 15 et 150 microns avant toute finition.

Q : Quel procédé de fusion sur lit de poudre offre les vitesses de fabrication les plus rapides - SLS, DMLS ou EBM ?

R : La fusion par faisceau d'électrons (EBM) offre des taux de production extrêmement élevés, jusqu'à 40 cm3/heure, ce qui permet une très grande productivité. La DMLS offre des vitesses modérées, tandis que la SLS est comparativement assez lente.

Q : Dans quelle mesure l'AM sur lit de poudre est-elle durable par rapport à l'usinage des métaux et des plastiques ?

R : Toutes les technologies de lit de poudre réutilisent plus de 90% de poudre non fondue après la fabrication pour le recyclage. L'allègement des géométries optimisées permet également d'économiser des matériaux. L'utilisation de l'énergie reste un domaine d'intérêt.

Q : Quels sont les facteurs qui déterminent le prix des services d'impression par fusion sur lit de poudre ?

R : Les coûts des matériaux, le temps de fabrication, la main-d'œuvre, la finition, le modèle d'imprimante 3D, le volume de production et le secteur d'application de l'acheteur déterminent en grande partie les niveaux de prix des pièces industrielles obtenues par AM aujourd'hui.

Q : Quelles sont les industries qui adoptent le plus la fabrication additive par fusion sur lit de poudre aujourd'hui ?

R : Les entreprises des secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et de la conception de machines qui se concentrent sur les gabarits, les montages et l'outillage représentent plus de 60% des clients commerciaux qui explorent les applications de production par AM avec des polymères et des métaux.

Q : Quels sont les logiciels spécialisés nécessaires pour préparer et imprimer de manière optimale les modèles de CAO en 3D ?

R : Les logiciels de tranchage tels que Materialise Magics et SLM Build Processor orientent automatiquement les pièces pour obtenir la meilleure géométrie et les meilleures propriétés, et adaptent les paramètres de numérisation. Certains fournisseurs d'imprimantes intègrent des outils logiciels propriétaires.

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