Qu’est-ce que la fabrication additive métallique ? Méthodes, applications et matériaux

Qu’est-ce que la fabrication additive métallique ?

La fabrication additive métallique, également connue sous le nom d’impression 3D métallique, est une méthode de fabrication de haute technologie dans laquelle les objets sont produits par l’ajout de couches successives de matériaux. L’approche utilise une source d’énergie, par exemple un laser ou un faisceau d’électrons, pour fusionner la poudre de métal ou le fil métallique et former un objet solide. Par conséquent, cette technique permet de développer des conceptions complexes qui ne peuvent pas être réalisées ou qui sont difficiles à réaliser avec les processus de fabrication traditionnels.

La fabrication additive métallique offre plusieurs avantages, notamment une liberté de conception inégalée et l’utilisation de différents métaux. Cela l’a rendue indispensable à la croissance de l’industrie manufacturière, en aidant à améliorer l’efficacité, à réduire les déchets, à diminuer les émissions et à augmenter les taux de production de pièces plus substantielles et plus légères. L’aérospatiale, l’automobile, la médecine et les biens de consommation ont été identifiés comme les principaux bénéficiaires de cette technologie.

Méthodes de fabrication additive métallique

Méthodes de lit de poudre

La méthode du lit de poudre consiste à étaler une fine couche de poudre métallique sur la surface d’un lit. Les couches minces subissent ensuite des fusions sélectives à partir de sources à haute énergie telles que des lasers ou des émanations d’électrons pour former l’objet désiré. Cette méthode offre une capacité exceptionnelle à générer des géométries complexes avec précision.

Dépôt d’énergie dirigée (DED)

Dans le cas du dépôt par énergie dirigée, le matériau est fondu par un appareil de chauffage et déposé simultanément par une buse. Ce processus permet d’accumuler des couches pour produire un objet solide. Le DED est utile dans diverses industries car il permet de réparer des pièces existantes et d’ajouter des matériaux.

Jetting de liant métallique

Le jet de liant métallique utilise des liants liquides distribués sur des couches successives de métal en poudre, servant ainsi de colle entre ces particules. L’objet obtenu doit subir un traitement ultérieur, généralement par frittage ou infiltration, pour le rendre plus robuste/dur qu’auparavant, tout en conservant sa forme sans déformation. Cette méthode est utile pour de nombreuses applications, en particulier celles qui impliquent une production de masse, lorsque des pièces complexes sont nécessaires sans que les températures ne soient trop élevées.

Comparaison de différentes méthodes de fabrication additive de métaux

Méthodes de lit de poudre

Avantages

Les méthodes sur lit de poudre sont les meilleures pour construire des formes complexes. Cette méthode est très précise et n’utilise que la poudre nécessaire, ce qui permet d’éviter les pertes. Elle peut être modifiée pour s’adapter à des produits personnalisés et s’applique donc à divers métaux et alliages.

Inconvénients

Les matières premières coûteuses utilisées dans les procédures rendent onéreux l’achat de tous les outils essentiels requis. La vitesse est limitée et il peut y avoir des contraintes de volume au cours de la production. Les traitements de surface peuvent nécessiter une finition supplémentaire après le traitement, et des directives de sécurité strictes s’appliquent lorsque l’on travaille avec des poudres métalliques.

Jetting de liant

Avantages

Les supports ne sont qu’occasionnellement nécessaires pour la projection de liant, ce qui réduit les déchets et les coûts de post-traitement. Il recycle jusqu’à 99 % de la poudre libre, ce qui permet de réaliser des conceptions complexes sans augmenter les coûts. Plusieurs pièces peuvent être fabriquées en une seule impression, ce qui permet de gagner du temps et de réduire les coûts.

Inconvénients

Cependant, le jet de liant nécessite un équipement supplémentaire pour le post-traitement, la plupart des processus de post-impression étant manuels, bien que l’automatisation soit en cours. En outre, le coût des machines à jet de liant est plus élevé que celui de nombreuses méthodes de fabrication conventionnelles.

Dépôt direct d’énergie (DED)

Avantages

Le DED a une vitesse de fabrication plus rapide que les autres technologies d’AM métal et crée des pièces denses avec moins de déchets. Elle permet de produire des composants importants et de travailler avec différents matériaux.

Inconvénients

L’inconvénient est que le DED a une faible résolution de construction, ce qui entraîne des finitions de surface rugueuses. Les machines sont assez coûteuses et aucune structure de support n’est autorisée dans ce processus, ce qui signifie que certaines caractéristiques de conception ne peuvent pas être mises en œuvre.

Matériaux de fabrication additive métallique

Poudres métalliques courantes

Le choix du matériau dans la fabrication additive métallique influe considérablement sur les propriétés du produit final. Les matériaux les plus courants sont les suivants :

• Titane et alliages de titane

Grande solidité, résistance à la corrosion et biocompatibilité, idéal pour l’aérospatiale, l’automobile et les applications médicales.

• Acier inoxydable

Équilibre entre solidité, résistance à la corrosion et prix abordable.

• Aluminium et alliages d’aluminium

Léger avec une bonne conductivité.

• Superalliages à base de nickel

Résistance supérieure à la chaleur et à la corrosion pour les applications à haute température.

• Alliages de cobalt et de chrome

Haute résistance et biocompatibilité, souvent utilisées dans des applications médicales.

• Métaux précieux

Ils sont utilisés en bijouterie pour leurs qualités esthétiques et leur résistance à la corrosion.

• Aciers à outils

Dureté élevée et résistance à l’usure, idéal pour la création de moules et d’outils de coupe.

Métaux précieux dans la fabrication additive

Les métaux précieux tels que l’or, l’argent, le platine et le ruthénium sont utilisés dans la fabrication additive pour diverses applications :

• Argent

Contacts électriques et batteries de grande capacité grâce à leur conductivité élevée.

• L’or

La dentisterie, la médecine et l’électronique pour leur malléabilité et leur résistance au ternissement.

• Platine

Bijoux, outils chirurgicaux et ustensiles de laboratoire pour leur densité et leur résistance à l’air et à l’eau.

• Ruthénium

L’électronique et l’industrie chimique pour sa résistance aux acides et au ternissement.

Applications industrielles de la fabrication additive métallique

Industrie aérospatiale

L’industrie aérospatiale a été l’une des premières à adopter la fabrication additive métallique, car elle avait besoin de matériaux légers et durables. Cette technologie permet d’optimiser les composants des moteurs, les aubes des turbines et les systèmes d’alimentation en carburant. La création de formes complexes sans défauts internes a considérablement amélioré les performances et la fonctionnalité des pièces aérospatiales, ce qui a permis d’alléger les avions et de réduire la consommation de carburant.

Industrie automobile

La fabrication additive métallique est utilisée dans l’industrie automobile pour le prototypage métallique, les pièces personnalisées et l’outillage. Les constructeurs automobiles peuvent utiliser cette innovation pour développer de nouvelles conceptions qu’ils peuvent tester immédiatement, réduisant ainsi leurs cycles d’itération pendant le développement. En outre, la création de structures solides légères mais complexes améliore l’efficacité des véhicules.

Industrie médicale

La fabrication additive métallique facilite la production d’implants médicaux et d’instruments chirurgicaux dans le domaine médical. Par exemple, cette technologie permet de créer des implants spécifiques au patient qui s’adaptent exactement à l’anatomie de l’individu, ce qui se traduit par de meilleurs résultats et un temps de guérison plus rapide pour les patients après une intervention chirurgicale ou une blessure due à un accident. Elle permet également la fabrication d’outils chirurgicaux délicats, qui augmentent la précision des opérations.

Industrie de l’énergie

La fabrication additive métallique permet de produire des composants de systèmes énergétiques dans le secteur de l’énergie. Elle permet de fabriquer ces pièces, qui nécessitent généralement des propriétés de haute résistance et peuvent résister à des conditions environnementales difficiles, ce qui fait de la fabrication additive une méthode parfaite pour répondre à leurs besoins de production. La fabrication additive nous permet de concevoir des géométries complexes qui améliorent l’efficacité et la fiabilité de ces systèmes.

Bijoux et biens de consommation

L’industrie de la bijouterie a été transformée par la fabrication additive métallique, qui permet de réaliser des dessins complexes avec très peu de pertes de matériaux. Cette technique permet aux bijoutiers de créer des pièces compliquées qui seraient peu pratiques ou impossibles à réaliser avec les méthodes traditionnelles. De même, les fabricants de biens de consommation utilisent la fabrication additive pour personnaliser des articles aux géométries uniques.

Recherche et développement

Dans le domaine de la recherche et du développement (R&D), la fabrication additive métallique est nécessaire pour un prototypage rapide pendant l’expérimentation. Les chercheurs peuvent donc utiliser cette procédure technologique pour produire et tester brièvement de nouvelles conceptions, ce qui les aidera à innover et à découvrir l’inconnu. L’itération rapide de la conception contribue au développement rapide de nouveaux produits et de nouvelles technologies.

Avantages de la fabrication additive métallique

Formes et géométries complexes

La capacité de créer des formes et des géométries complexes qui sont difficiles ou impossibles à réaliser avec des méthodes traditionnelles est l’un des avantages les plus significatifs de la fabrication additive métallique (AM). Il est ainsi possible de concevoir des pièces comportant des vides internes et des détails complexes.

Réduction du poids

Contrairement à d’autres méthodes de fabrication, la fabrication additive permet de créer des composants légers sans compromettre la résistance. Les secteurs qui ont adopté cette réduction de poids sont notamment l’automobile et l’aérospatiale, où même une petite réduction de poids peut entraîner des économies considérables en termes de coûts de carburant.

Efficacité en termes de temps et de coûts

Par rapport aux procédés traditionnels, la fabrication additive métallique prend moins de temps car elle élimine l’outillage et les opérations secondaires, ce qui réduit les coûts de production et les délais d’exécution et permet aux producteurs d’entrer plus rapidement sur le marché. En outre, l’absence de stock réduit les frais de stockage.

Avantages environnementaux

Par rapport aux techniques soustractives conventionnelles, l’impression 3D génère moins de déchets, puisque seul le matériau nécessaire à une zone spécifique est ajouté. Cela permet de réduire les coûts des matériaux et de contribuer positivement à la préservation de l’environnement. En outre, le recyclage de la poudre inutilisée contribue à promouvoir le développement durable.

Défis de la fabrication additive métallique

Défis techniques

Les technologies de fabrication additive métallique sont confrontées à plusieurs défis techniques, notamment celui d’obtenir un état de surface et une précision suffisamment élevés pour les usages prévus, en raison de la nécessité d’un post-traitement supplémentaire tel que l’usinage ou le polissage.

Contraintes économiques

Les investissements initiaux élevés empêchent la plupart des entreprises d’installer des machines d’AM des métaux. Dans le même temps, ces machines sont coûteuses, tout comme les exigences de formation, les consommables, la maintenance, etc. En outre, les matériaux utilisés dans l’impression 3D ont tendance à être coûteux, ce qui signifie que les taux de perte de matières premières sont élevés.

Questions réglementaires et de normalisation

La technologie de fabrication additive métallique nécessite des méthodes d’essai normalisées ou des directives de contrôle de la qualité, ce qui fait de l’assurance qualité une tâche ardue, en particulier dans des domaines tels que l’aérospatiale et les dispositifs médicaux, qui sont soumis à des exigences strictes.

FAQS

Qu’est-ce que la fusion du lit de poudre？

Frittage sélectif par laser (SLS)

Le frittage sélectif par laser utilise un laser pour fritter du métal en poudre et le fusionner afin d’obtenir une structure solide, la précision et l’efficacité étant ses caractéristiques.

Frittage laser direct de métaux (DMLS)

Cependant, le DMLS est semblable au SLA mais se concentre sur divers métaux et alliages pour générer des prototypes et des produits finis avec une grande précision.

Fusion sélective par laser (SLM)

En outre, la technique SLM implique la fusion de la poudre métallique, ce qui permet d’obtenir un produit final plus dense et plus robuste pour les applications nécessitant une résistance et une durabilité élevées.

Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

Ce procédé diffère des autres technologies de fabrication additive. Un faisceau d’électrons plutôt qu’un laser est utilisé sous vide pour éviter l’oxydation, ce qui facilite l’obtention de pièces complexes présentant d’excellentes caractéristiques matérielles.

Conclusion

La fabrication additive métallique est une technologie transformatrice qui offre de nombreux avantages, notamment la liberté de conception, l’amélioration de l’efficacité et la réduction de l’impact sur l’environnement. Grâce aux différentes méthodes disponibles, telles que la fusion sur lit de poudre, le dépôt d’énergie dirigée et le jet de liant, les fabricants peuvent choisir l’approche la mieux adaptée à leurs besoins spécifiques. La large gamme de matériaux utilisés dans la fabrication additive métallique permet de créer des pièces aux propriétés et aux applications diverses.

La fabrication additive métallique continue d’évoluer et s’apprête à révolutionner l’industrie manufacturière. La capacité de produire des pièces complexes, légères et de haute qualité rapidement et de manière rentable favorisera son adoption dans de nombreux secteurs. Bien qu’il reste des défis à relever, les progrès continus et l’accessibilité croissante aideront à surmonter ces obstacles, faisant de la fabrication additive métallique une pierre angulaire de l’innovation industrielle dans les années à venir.