Fusion de lits de poudre

Vue d'ensemble

La fusion sur lit de poudre est un procédé de fabrication additive qui utilise l'énergie thermique pour fusionner sélectivement des régions d'un lit de poudre, couche par couche, afin de construire des pièces. C'est l'une des technologies d'impression 3D de métaux les plus utilisées aujourd'hui pour les applications de production.

Quelques détails clés sur la fusion en lit de poudre :

• Elle appartient à la famille de la photopolymérisation en cuve de la fabrication additive.
• Une source d'énergie thermique telle qu'un laser ou un faisceau d'électrons est utilisée pour faire fondre et fusionner des poudres de matériaux.
• Les poudres utilisées sont généralement des métaux tels que l'acier inoxydable, le titane, l'aluminium, les alliages de nickel et le cobalt-chrome. Les polymères et les céramiques peuvent également être utilisés dans certains procédés.
• La fusion sur lit de poudre permet de créer des pièces métalliques entièrement denses dont les propriétés mécaniques sont comparables à celles de la fabrication traditionnelle.
• Elle permet d'obtenir des géométries complexes impossibles à réaliser avec les techniques soustractives conventionnelles.
• Les applications couvrent l'aérospatiale, le médical, le dentaire, l'automobile et l'industrie en général.
• Les technologies de lit de poudre les plus répandues sont la fusion sélective par laser (SLM), le frittage direct par laser (DMLS), la fusion par faisceau d'électrons (EBM) et la projection de liant.

Procédés de fusion sur lit de poudre

Plusieurs technologies de fusion sur lit de poudre ont été mises au point. Les principales sont les suivantes

Fusion sélective par laser (SLM) est la technologie de fusion sur lit de poudre la plus couramment utilisée aujourd'hui. Un laser de forte puissance (par exemple à fibre, CO2, YAG) est focalisé sur un lit de poudre pour créer des bassins de fusion et fusionner le matériau. Le lit de poudre s'abaisse après chaque couche et de la nouvelle poudre est répandue dessus. La technique SLM utilise la fusion totale, ce qui permet de construire des pièces très denses. Des matériaux tels que l'acier inoxydable, le titane, l'aluminium et l'Inconel sont couramment utilisés.

Frittage direct de métaux par laser (DMLS) Le DMLS fonctionne de manière similaire, mais vise à ne faire fondre que partiellement la poudre pour former des cols entre les particules afin de produire une pièce solide. La DMLS nécessite moins de puissance laser que la SLM.

Fusion par faisceau d'électrons (EBM) utilise un faisceau d'électrons comme source d'énergie, focalisé sous vide pour faire fondre les poudres métalliques couche par couche. L'EBM permet des taux de fabrication plus élevés que les processus basés sur le laser, car le faisceau peut être balayé plus rapidement. L'EBM est principalement utilisé pour les alliages de titane dans les applications aérospatiales.

Fusion à jets multiples (MJF) utilise des têtes d'impression à jet d'encre pour déposer sélectivement un agent de fusion sur un lit de poudre de polymère qui est ensuite fritté par une source d'énergie. Le procédé MJF permet un frittage à grande vitesse des thermoplastiques.

Jets de liant Le procédé consiste d'abord à déposer un liant liquide dans des zones sélectionnées pour lier le matériau en poudre, puis à fritter pour densifier la pièce. Ce procédé peut être utilisé pour les métaux, les céramiques et les polymères.

Matériaux de fusion en lit de poudre

La fabrication additive par fusion sur lit de poudre permet d'utiliser toute une série de matériaux. Les plus courants sont

Les plus utilisés sont aciers inoxydablesqui offrent une bonne résistance à la corrosion et de bonnes propriétés mécaniques. Alliages de titane comme le Ti6Al4V sont populaires dans l'aérospatiale en raison des économies de poids réalisées par rapport à l'acier et aux alliages de nickel. Alliages d'aluminium permettent d'obtenir des pièces légères pour l'automobile et l'aérospatiale.

Superalliages de nickel comme l'Inconel sont utilisés pour les aubes de turbines à haute température et les tuyères de fusées. Alliages cobalt-chrome sont biocompatibles et largement utilisés dans les restaurations dentaires. Polymères comme les nylons, le PEEK et les polyamides peuvent être frittés pour fabriquer des pièces en plastique. Céramique comme la zircone et l'alumine ont des applications dans les implants médicaux.

La distribution de la taille des particules, la fluidité, la densité de tassement et le point de fusion sont des propriétés clés des matériaux en poudre qui déterminent les possibilités de traitement et les propriétés des pièces finales.

Applications de la fusion en lit de poudre

La fabrication additive par fusion sur lit de poudre est utilisée dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine, des soins dentaires, de l'automobile et de l'ingénierie générale. Les applications typiques sont les suivantes

Dans aérospatialeLa fusion sur lit de poudre est idéale pour les composants uniques tels que les satellites et les drones. Elle est utilisée pour les pièces légères en titane et en alliage de nickel, notamment les turbines, les tuyères et les cellules d'avion.

Pour médicalLes implants et les prothèses en titane et en chrome cobalt personnalisés constituent un domaine d'application majeur. Il permet également de personnaliser les outils chirurgicaux.

Dans automobileLe lit de poudre est utilisé pour les prototypes légers et les outils et montages personnalisés tels que les gabarits. Pour les industriel Il permet de créer des outils spécialisés, des gabarits et des pièces métalliques finales.

Dans l'architectureLa fusion sur lit de poudre permet d'obtenir des géométries uniques pour les éléments décoratifs et fonctionnels des bâtiments et du mobilier.

Avantages de la fusion en lit de poudre

Les technologies de fusion sur lit de poudre présentent les avantages suivants :

• Géométries complexes - Il est possible d'obtenir des caractéristiques internes et des treillis complexes.
• Personnalisation - peuvent être adaptées pour répondre à des applications individuelles.
• Allègement - réduire le poids des composants en optimisant la conception.
• Consolidation - la combinaison d'assemblages en pièces détachées.
• Haute résistance - métaux entièrement denses comparables à la résistance des matériaux corroyés.
• Des délais de livraison plus courts - un délai d'exécution rapide du fichier numérique à la pièce.
• Personnalisation de masse - combinant économies d'échelle et personnalisation des pièces.
• Durabilité - moins de déchets par rapport aux procédés soustractifs.

La capacité de produire des pièces métalliques denses avec des géométries complexes personnalisées fait de la fusion sur lit de poudre la solution idéale pour les composants légers et performants dans tous les secteurs. Cette technologie permet de consolider les assemblages en pièces uniques, ce qui réduit les coûts de fabrication et de stockage. L'utilisation de la fabrication additive permet également de réduire considérablement le gaspillage de matériaux par rapport aux méthodes soustractives traditionnelles telles que l'usinage CNC.

Limites de la fusion en lit de poudre

Parmi les limitations actuelles, on peut citer

• Contraintes de taille - les volumes de construction sont généralement inférieurs à 1 mètre cube.
• Finition de la surface - effet de marche d'escalier nécessitant un post-traitement.
• Vitesse de construction - plus lentes que les méthodes de fabrication en grande série.
• Propriétés anisotropes - les variations directionnelles des propriétés des matériaux.
• Normes - l'absence de codes et de spécifications pour les pièces qualifiées.
• Logiciel - les règles de conception et la complexité de la préparation des dossiers.
• Coûts - des coûts d'équipement et de matériel encore relativement élevés.

La taille maximale des composants est limitée par le volume de construction des machines, qui s'améliore mais reste généralement inférieur à 1 mètre cube. Le processus couche par couche peut entraîner une mauvaise finition de la surface qui nécessite un lissage et un polissage.

Les vitesses globales de fabrication sont plus lentes que celles des technologies de production à haut volume comme le moulage par injection. Les pièces peuvent également présenter des propriétés anisotropes en fonction de l'orientation de la fabrication. L'absence de normes et de spécifications pour la qualification des pièces imprimées est également une contrainte dans des secteurs fortement réglementés comme l'aérospatiale et le médical. La conception de pièces optimales et le prétraitement des fichiers nécessitent une expertise logicielle avancée.

Les coûts des systèmes et des matériaux sont encore relativement élevés par rapport à la fabrication traditionnelle. Cependant, les coûts diminuent avec l'adoption croissante et de nombreuses applications peuvent justifier les coûts en raison de la performance des pièces, de la personnalisation et de la flexibilité de la conception.

Post-traitement

Le post-traitement fait référence aux étapes requises après le processus de construction pour obtenir une pièce finie :

• Élimination de la poudre - Les pièces sont séparées de la poudre non fondue à l'aide de brosses.
• Supporte le retrait - Les structures de soutien sont coupées et la surface est nettoyée.
• Finition de surface - Sablage, meulage, microbillage pour améliorer la qualité de l'eau.

Paramètres du processus

Plusieurs paramètres clés du processus peuvent être réglés pour optimiser les propriétés, les performances et la productivité de la fusion en lit de poudre :

Puissance du laser affecte l'apport d'énergie, la vitesse de fusion, les dimensions de la piscine de fusion et la profondeur de pénétration. Vitesse de balayage contrôle la vitesse de solidification et la vitesse de refroidissement qui influencent la morphologie des grains et la formation de défauts.

Espacement des trappes définit l'espacement entre les pistes de numérisation et affecte le chevauchement, la densification et le collage entre les couches. Épaisseur de la couche détermine la résolution, la rugosité de la surface et le temps de construction total.

Stratégie d'analyse (motifs de balayage) affecte les contraintes résiduelles, la distorsion et les propriétés anisotropes en fonction de la direction d'impression. Atmosphère du processus détermine les niveaux d'oxydation et de contamination.

Recyclage des poudres

• La poudre non fondue peut être récoltée et tamisée pour éliminer les grosses particules.
• Réutilisation jusqu'à 20 cycles en général
• Réduit considérablement les coûts des poudres
• Poudre fraîche ajoutée pour reconstituer et maintenir la chimie
• Propriétés surveillées pour les seuils de réutilisation

Les procédés de fusion sur lit de poudre réutilisent la poudre non fusionnée pour d'autres constructions. Après le dépoussiérage, la poudre libre est récoltée, tamisée pour éliminer les grosses particules et mélangée à de la poudre fraîche avant d'être réutilisée.

Les taux de réutilisation typiques vont jusqu'à 20 cycles en fonction du matériau, des changements de taille des particules et des niveaux de contamination. Ce recyclage améliore considérablement l'efficacité des matériaux et réduit les coûts globaux des pièces. Le taux et les propriétés de la poudre réutilisée sont contrôlés pour déterminer les taux de rafraîchissement.

Contrôle de la qualité

Parmi les principales mesures de contrôle de la qualité utilisées dans le cadre de la fusion sur lit de poudre, citons

• Analyse chimique des poudres
• Analyse de la distribution de la taille des particules
• Suivi de la réutilisation des poudres
• Surveillance de la piscine de fusion
• Contrôle de la géométrie des pièces
• Essais de propriétés mécaniques
• Essais non destructifs (par exemple, rayons X)
• Tomodensitométrie pour les défauts internes
• Mesure de la rugosité de surface

La chimie des poudres d'entrée et la distribution de la taille des particules sont analysées pour garantir une qualité élevée. Les taux de rafraîchissement de la poudre sont suivis. Les systèmes de contrôle en cours de fabrication, tels que le contrôle du bain de fusion, détectent les défauts pendant la fabrication.

Les tolérances géométriques des pièces imprimées sont mesurées. Les essais mécaniques évaluent les propriétés en fonction des paramètres du processus et de l'orientation de la construction. Les essais non destructifs et la tomodensitométrie permettent d'identifier les défauts internes. La finition de la surface est évaluée. Toutes les données sont analysées pour calibrer et optimiser les processus.

Analyse des coûts

Les coûts typiques des pièces de fusion en lit de poudre dépendent de.. :

• Amortissement des machines
• Coûts des matériaux
• Main-d'œuvre pour le prétraitement et le post-traitement
• Temps de construction et consommation d'énergie
• Quantité de poudre réutilisable
• Taux d'achat par vol

Les coûts des machines sont amortis sur la durée de vie prévue en fonction de l'utilisation. Les coûts des matériaux sont calculés sur la base du volume de pièces et du ratio d'achat à la volée. La main-d'œuvre comprend la préparation des fichiers, la configuration, le dépouillement et les étapes de finition.

La consommation d'énergie dépend du temps de construction et des niveaux de puissance. La poudre réutilisable réduit le coût global des matériaux. Des ratios achat-vol de 3:1 à 20:1 sont courants pour les pièces de grande valeur.

Fournisseurs

Parmi les principaux fournisseurs de systèmes de fusion sur lit de poudre, on peut citer

EOS et Systèmes 3D ont été les premiers pionniers de la fusion en lit de poudre et restent des leaders aujourd'hui. GE Additive a acquis Concept Laser et Arcam EBM pour offrir à la fois des technologies laser et à faisceau d'électrons. Trumpf et Sisma propose également des systèmes industriels de SLM. AddUp est une coentreprise entre Michelin et Fives qui se consacre à la fabrication additive métallique.

Il existe également de nombreux fournisseurs de matériaux pour la fusion en lit de poudre, notamment Carpenter, Sandvik, Praxair, LPW Technology et AP&C.

Comparaison des coûts

Les systèmes à lit de poudre ont des coûts d'équipement élevés allant de $100 000 pour les imprimantes industrielles à plus de $1 million pour les grands systèmes de production. Les matériaux varient de $100-500/kg. Les vitesses de production varient de 5 à 100 cm3/h en fonction de la technologie.

L'usinage CNC a des coûts d'équipement inférieurs, à partir d'environ $50.000. Les coûts des matériaux métalliques sont moins élevés ($5-50/kg). Les vitesses varient entre 50 et 500 cm3/h.

Les systèmes de moulage par injection coûtent également plus de $100 000. Mais la matière plastique est très bon marché ($2-5/kg). Les vitesses sont de 100 à 1000 cm3/h.

La fusion sur lit de poudre n'est donc rentable que pour les pièces métalliques de faible volume et de grande valeur, dont les performances justifient les coûts plus élevés.

Fusion sur lit de poudre et projection de liant

• La fusion sur lit de poudre permet de produire des pièces entièrement denses, tandis que les pièces obtenues par jet de liant sont poreuses et nécessitent une infiltration.
• La précision de la projection de liant est modérée, tandis que la fusion sur lit de poudre peut atteindre des précisions plus élevées avec un post-traitement.
• La finition de la surface par fusion sur lit de poudre nécessite une finition, tandis que la projection de liant permet d'obtenir une finition stratifiée et texturée.
• Les vitesses de fabrication des jets de liant sont beaucoup plus rapides que les procédés à lit de poudre limités par la source d'énergie.
• Le lit de poudre est davantage utilisé pour les pièces d'utilisation finale, tandis que le jet de liant est plus adapté à l'outillage, au moulage et aux modèles conceptuels.

Fusion en lit de poudre et dépôt d'énergie dirigée

• La fusion sur lit de poudre est principalement utilisée pour les métaux, tandis que le DED peut utiliser des métaux et des polymères.
• La fusion sur lit de poudre permet une plus grande complexité que le DED, qui présente certaines contraintes géométriques.
• La précision est plus élevée avec la fusion sur lit de poudre. La précision du DED est moyenne.
• Le DED crée des surfaces rugueuses qui nécessitent davantage de finition en raison des perles additives.
• La fusion sur lit de poudre permet de fabriquer des pièces plus petites, tandis que le DED permet de réaliser des formes moyennes à grandes, proches du filet.
• Le DED a des taux de dépôt beaucoup plus élevés en raison de son approche de poudre soufflée.

La fusion sur lit de poudre permet donc généralement de produire des géométries complexes de petite taille à des vitesses modérées. Le procédé DED permet d'obtenir des formes simples plus grandes beaucoup plus rapidement, mais avec un travail de finition plus important.

L'avenir de la fusion en lit de poudre

Parmi les domaines de développement futur de la fusion sur lit de poudre, on peut citer

• Volumes de construction plus importants, jusqu'à plusieurs mètres cubes
• Des méthodes de numérisation plus rapides pour augmenter la vitesse de construction
• Matériaux en expansion tels que les alliages à haute température, les MMC, les polymères
• Fabrication hybride intégrant la fusion sur lit de poudre et la CNC
• Dépouillement et post-traitement automatisés
• Surveillance et contrôle avancés en temps réel
• Des procédures de qualification et de certification plus rigoureuses

Des plates-formes de fabrication plus grandes permettent d'obtenir des pièces plus grandes ou un débit de production plus élevé. De nouvelles technologies de numérisation plus rapides peuvent augmenter considérablement les vitesses de fabrication. Les options de matériaux continueront à s'étendre, en particulier aux alliages à haute performance.