Fabrication additive SLM

La fabrication additive, également connue sous le nom d'impression 3D, est un moyen révolutionnaire de fabriquer des pièces et des produits. L'une des techniques de fabrication additive les plus utilisées est l'impression 3D. la fusion sélective par laser (SLM). Le SLM est une méthode de fusion sur lit de poudre qui utilise un laser de forte puissance pour fusionner sélectivement des matériaux en poudre afin de construire des pièces couche par couche.

La SLM permet de créer des géométries complexes avec des caractéristiques internes complexes directement à partir de données de CAO en 3D. Elle minimise également les pertes de matériaux et offre une souplesse de conception que la fabrication traditionnelle ne permet pas. Cependant, le SLM nécessite un équipement spécialisé, des paramètres de traitement optimisés et une bonne compréhension des caractéristiques des matériaux.

Ce guide complet couvre tout ce que vous devez savoir sur la fabrication additive par fusion laser sélective. Il explique la technologie, les matériaux typiques utilisés, les applications, les avantages et les limites, les spécifications, les fournisseurs, les coûts, les comparaisons avec d'autres méthodes d'impression 3D, et bien plus encore. Lisez ce qui suit pour devenir un expert en SLM !

Comment fonctionne l'impression 3D SLM

Le SLM utilise un faisceau laser focalisé pour faire fondre et fusionner des poudres métalliques. Les pièces sont construites additivement, couche par couche, à partir des données d'un modèle CAO 3D. Voici les principaux aspects du processus SLM :

Aperçu du processus de fabrication additive SLM

L'approche par couches permet de créer des formes organiques complexes avec des cavités internes et des tunnels qui ne pourraient pas être réalisés par des méthodes traditionnelles telles que le moulage ou l'usinage à partir de blocs solides.

Le SLM est également désigné par des noms similaires, notamment le frittage sélectif par laser (SLS), le frittage direct par laser des métaux (DMLS) et la fusion sur lit de poudre (PBF). Les aspects fondamentaux de ces processus basés sur les poudres sont essentiellement identiques, à quelques différences près au niveau de l'équipement.

Matériaux SLM

La technologie de fabrication additive SLM permet de traiter une large gamme de métaux, d'alliages et de céramiques. Les plus fréquemment utilisés sont les aciers inoxydables, le chrome-cobalt, le titane, l'aluminium et les superalliages à base de nickel. Les options de matériaux continuent de s'étendre au fur et à mesure que la technologie se développe.

Matériaux et utilisations courantes de la SLM

L'option la plus populaire est Poudre d'acier inoxydable 316L en raison de sa solidité, de sa résistance à la corrosion, de ses finitions de haute qualité et de son coût inférieur à celui des alliages exotiques.

Les matériaux destinés à la technique SLM sont soumis à un contrôle de qualité strict, avec des particules de poudre sphériques d'un diamètre moyen de 15 à 100 microns. Les poudres plus fines améliorent la résolution, tandis que les poudres plus grossières permettent une fabrication plus rapide, mais avec une précision moindre.

Applications GDT

La technologie SLM est appréciée pour les prototypes, l'outillage personnalisé et la production en petite quantité de composants métalliques complexes et performants dotés de propriétés mécaniques améliorées. Voici quelques-unes des principales applications dans les principales industries :

Domaines d'application de la fabrication additive SLM

La capacité à consolider les assemblages en pièces uniques, à personnaliser rapidement les conceptions et à réduire les délais de plusieurs mois à quelques jours par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles est à l'origine de l'utilisation croissante de la technologie SLM pour les applications de production dans ces industries.

Fabricants d'imprimantes SLM

De nombreuses entreprises fabriquent des équipements SLM, également appelés imprimantes 3D. Les principaux acteurs dans le domaine des imprimantes 3D métalliques professionnelles de qualité industrielle sont les suivants :

Principaux fournisseurs de machines SLM

Alors que le coût initial de l'équipement d'une machine SLM industrielle varie de $150 000 à plus de $1 million, il est essentiel de sélectionner le bon système en fonction de l'espace disponible, des besoins en matériaux, des exigences en matière de précision et des considérations budgétaires. Les principaux fabricants proposent différentes tailles de construction, des configurations multi-laser pour la vitesse, des paramètres spécialisés pour la qualité et la répétabilité avec différents alliages, des niveaux de fonctionnalités logicielles d'automatisation, et bien d'autres choses encore.

Propriétés des matériaux SLM

Les pièces imprimées sur des machines SLM présentent des propriétés uniques par rapport aux méthodes traditionnelles de moulage et d'usinage en raison de la fabrication en couches et de la solidification rapide.

Comparaison des propriétés mécaniques - SLM et fabrication traditionnelle

Les vitesses de refroidissement élevées du processus SLM, supérieures à 106 °C/s, créent des microstructures plus fines avec des phases métastables. Cela explique les densités maximales obtenues par la consolidation des poudres, ainsi que les excellentes propriétés mécaniques telles que l'augmentation de la limite d'élasticité et de la résistance à la traction. L'allongement est généralement plus faible pour les pièces obtenues par SLM, car la dureté élevée et la présence de contraintes internes limitent la ductilité.

Des traitements thermiques appropriés et le pressage isostatique à chaud (HIP) peuvent soulager les contraintes internes et optimiser davantage les propriétés physiques tout en améliorant l'homogénéité. Dans l'ensemble, le SLM peut atteindre une densité supérieure à 99,5% pour produire des pièces métalliques fonctionnelles essentiellement identiques à la fabrication traditionnelle.

SLM et autres types d'impression 3D

Comparaison de la méthode SLM avec d'autres méthodes de fabrication additive

La fusion sur lit de poudre se distingue des autres méthodes de fusion sur lit de poudre, comme la fusion par faisceau d'électrons (EBM), par ses vitesses de balayage plus rapides qui permettent de créer des pièces avec des contraintes résiduelles plus faibles et une résolution plus élevée. La SLM produit des pièces métalliques fonctionnelles entièrement denses, tandis que l'impression 3D par jet de liant est plus rapide, mais nécessite davantage de post-traitement. Les systèmes FDM et SLA sont bien moins performants que les équipements SLM et EBM en ce qui concerne la résistance des matériaux disponibles.

Spécifications SLM

Les imprimantes 3D utilisant la technologie de fusion sélective par laser sont spécifiées par plusieurs paramètres clés qui déterminent les matériaux, la précision et la taille des pièces qui peuvent être produites.

Principales spécifications des machines SLM

Ces paramètres fondamentaux de la machine, auxquels s'ajoutent des facteurs tels que le chauffage incorporé pour le préchauffage de la poudre et le contrôle des taux de refroidissement, permettent d'ajuster les caractéristiques mécaniques. L'environnement de la chambre à gaz inerte empêche également l'oxydation tandis que les lasers traversent le lit de poudre métallique des milliers de fois par construction de pièce.

Précision et état de surface

La précision dimensionnelle et l'état de surface des pièces imprimées par SLM se situent dans des fourchettes de spécifications relativement larges en fonction des paramètres sélectionnés, de la complexité de la géométrie, du post-traitement et de la technique de l'opérateur.

Précision et finition de surface SLM

Une orientation appropriée, des structures de soutien, un préchauffage de la plaque de construction, des stratégies de numérisation optimisées et des étapes de post-traitement telles que l'usinage CNC et le polissage peuvent améliorer la finition. La précision dimensionnelle dépend également beaucoup d'un équipement correctement calibré.

Exigences en matière de post-traitement

Une fois que le système SLM a terminé la fabrication d'un composant, un post-traitement supplémentaire est généralement nécessaire avant de mettre les pièces en service. Ces étapes peuvent comprendre

• Retrait des pièces du gâteau de poudre
• Élimination des structures de soutien
• Traitements thermiques de détente
• Pressage isostatique à chaud (HIP)
• Meulage de surface, sablage, microbillage, polissage
• Contrôle non destructif

Le post-traitement vise à réduire la rugosité de la surface, à soulager les contraintes résiduelles, à fermer les micro-porosités et à améliorer la précision dimensionnelle et l'esthétique.

Les procédures spécifiques sont déterminées par le type de matériau, l'objectif de production (prototype ou pièce fonctionnelle), les exigences de performance et les tolérances critiques nécessaires.

Analyse des coûts

La détermination du retour sur investissement pour l'acquisition et l'exploitation d'une capacité de fabrication additive SLM en interne dépend de nombreuses variables.

Considérations sur les coûts de la GDT

Pondérer les coûts d'exploitation totaux par rapport à des facteurs de valeur tels que :

- Liberté de conception pour la réduction du poids, la personnalisation et la consolidation des pièces

- Réduction du délai d'exécution de plusieurs mois à quelques jours/heures

- Simplification de la chaîne d'approvisionnement grâce à la fabrication à la demande

- Amélioration des performances, notamment de la résistance et de la dureté

- Production durable avec un minimum de déchets par rapport aux méthodes soustractives

- Augmentation de la durée de vie des pièces de grande valeur telles que les pièces aérospatiales et médicales

Il est essentiel de quantifier les gains de productivité et d'innovation. Avec l'expérience, le coût total par pièce produite par SLM peut égaler celui de l'usinage CNC pour les séries de production de faible volume.

Normes industrielles

Comme il s'agit d'une technologie relativement nouvelle, des efforts sont encore en cours pour mettre en œuvre des spécifications, des codes et des normes à l'échelle de l'industrie dans le domaine de la fabrication additive SLM.

Paysage de la normalisation SLM

La certification selon ces normes garantit la répétabilité et la fiabilité lors de la passation de marchés pour des pièces AM tout au long de la chaîne d'approvisionnement. La conformité permet également une adoption plus large dans des secteurs réglementés tels que l'aérospatiale et les appareils médicaux.

Études de cas

Une myriade d'entreprises tirent parti de la liberté de conception et des délais de livraison rapides qu'offre le procédé SLM pour fabriquer des composants plus légers et plus résistants dans des secteurs allant des fusées aérospatiales aux voitures de Formule 1.

Exemples d'applications de la fabrication additive SLM

Ces applications montrent que les pièces fabriquées par SLM surpassent les contraintes de la fabrication traditionnelle. À mesure que de plus en plus d'entreprises adoptent les technologies de l'AM, les possibilités d'innovation ne cessent de s'étendre.

Fabrication additive SLM - FAQ

Questions fréquemment posées sur la GDT

Cette FAQ résume les réponses aux principales questions sur la fabrication additive par fusion laser sélective. La fusion sélective par laser permet d'atteindre de nouveaux niveaux de performance grâce à une liberté de conception totale.

L'avenir de la GDT

L'adoption de la technologie SLM continue de s'accélérer à mesure que de plus en plus d'industries repoussent les limites de la fabrication additive. Les progrès en matière d'équipements, de logiciels, de matériaux et de processus de qualité permettront d'élargir les applications.

Il faut s'attendre à une plus grande disponibilité des machines spécialisées multi-alliages et des paramètres de traitement auprès des principaux fabricants d'imprimantes. Des systèmes hybrides incorporant des processus complémentaires tels que le fraisage, le perçage et l'inspection font également leur apparition pour la fabrication intégrée. L'élimination et la récupération automatisées de la poudre réduiront les coûts.

La surveillance en temps réel permettra des contrôles de processus encore plus stricts et une assurance qualité en boucle fermée. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent optimiser les performances des bâtiments. À mesure que les normes se solidifieront autour des meilleures pratiques, les utilisateurs gagneront également en prévisibilité.