5 problèmes courants rencontrés avec l'impression 3D métal – et comment les résoudre

L'impression 3D métal a fait des progrès impressionnants au cours des dernières années, les entreprises investissant de plus en plus dans la technologie pour des applications industrielles très complexes. Cependant, outre les avantages de la production de composants métalliques légers et sophistiqués, il existe également un certain nombre de défis qui doivent être surmontés lors du processus d'impression 3D en métal. Le didacticiel d'aujourd'hui explorera les principaux problèmes rencontrés lors de l'impression 3D de métaux et comment vous pouvez les résoudre.

Impression 3D sur métal – Un aperçu

En matière d'impression 3D métal, il existe toute une gamme de procédés d'impression. Ceux-ci peuvent être divisés en trois groupes :

• Procédés de fusion sur lit de poudre (SLM, EBM)
• Dépôt d'énergie directe (DED)
• Jet de liant métallique

Fusion sur lit de poudre est la méthode la plus courante pour la production de pièces métalliques à l'aide d'AM, et implique l'utilisation d'un faisceau laser (SLM) ou d'un faisceau d'électrons (EBM) pour fondre sélectivement une couche de matériau en poudre, uniformément répartie sur la plate-forme de fabrication.

Dépôt d'énergie direct couvre une gamme de technologies et implique généralement un processus par lequel le matériau est fondu par un laser ou un faisceau d'électrons avant d'être déposé sur une plate-forme de construction. L'objet est ensuite formé couche par couche. Alors que les polymères et les céramiques peuvent être utilisés avec ce procédé, le DED est généralement utilisé avec des métaux sous forme de poudre ou de fil.

Jet de liant métallique   utilise une tête d'impression pour appliquer un liant liquide sur des couches de poudre, ce qui fusionne les particules de poudre couche par couche. La poudre liée peut ensuite être éventuellement infiltrée avec un autre métal (généralement du bronze) pour obtenir une densité plus élevée.

Chacun des processus a ses forces et ses limites, mais il existe des problèmes courants qui surviennent en général lors de l'impression 3D de métaux - et ces défis doivent être  pour obtenir les meilleures caractéristiques mécaniques possibles pour vos pièces métalliques imprimées en 3D.

5 problèmes courants à surveiller 

1. Porosité

Les pièces métalliques imprimées en 3D sont souvent en proie à une porosité élevée, qui se produit pendant le processus d'impression lorsque de petits trous et cavités se forment dans la pièce. Ces pores minuscules, généralement microscopiques, peuvent entraîner une faible densité - plus il y a de pores, plus la densité de votre pièce est faible. Ils peuvent également affecter directement les propriétés mécaniques d'une pièce, la rendant sujette à des fissures ou à d'autres dommages, en particulier lorsqu'elle est exposée à des charges élevées.

Il y a généralement deux raisons principales pour lesquelles les pièces métalliques imprimées en 3D très poreuses sont dues soit à un problème avec la technique de production de poudre, soit au processus d'impression 3D lui-même. Par exemple, l'utilisation de l'atomisation au gaz peut parfois provoquer la formation de pores dans le matériau en poudre. Cependant, la source la plus courante de tels trous minuscules est le processus d'impression, lorsque l'énergie du est insuffisante et ne peut donc pas faire fondre le métal correctement. L'inverse peut également s'appliquer :une énergie laser excessive peut provoquer des éclaboussures de gouttelettes de matériau fondu, ce qui entraîne la formation de pores.

Comment réduire la porosité de vos pièces métalliques

Heureusement, il existe plusieurs façons d'éliminer la porosité de vos pièces métalliques imprimées en 3D et d'obtenir des pièces plus solides et plus durables :

• Étant donné que la qualité des matériaux peut parfois être à l'origine d'une porosité élevée, assurez-vous d'acheter les matières premières auprès d'un fournisseur de confiance.
• La porosité causée pendant le processus d'impression peut être éliminée en réglant les paramètres de votre imprimante.

• La densité correcte peut être obtenue avec des méthodes de post-traitement, telles que le pressage isostatique à chaud. Cela élimine les éventuelles cavités tout en améliorant les propriétés mécaniques d'une pièce métallique imprimée en 3D.
• Pour les pièces de fusion sur lit de poudre, l'infiltration est une autre option de post-traitement. Cette méthode est utilisée pour combler les vides restants dans la pièce métallique.

2. Densité

Les applications industrielles de pièces métalliques imprimées en 3D nécessitent fréquemment des propriétés mécaniques élevées, c'est pourquoi la densité d'une pièce est extrêmement importante. Lorsqu'une pièce fonctionne dans des conditions de contraintes cycliques, sa densité déterminera si la pièce échouera ou non sous charge. En d'autres termes, plus la densité d'une pièce est faible, plus elle risque de se fissurer sous pression. Les technologies à lit de poudre (SLM, EBM) peuvent produire des pièces avec des densités de 98 % et plus, qui sont cruciales pour les applications stressantes.

Améliorer la densité de vos pièces

Pour garantir qu'une pièce a une qualité et une densité constantes, il est nécessaire d'optimiser les paramètres spécifiques du matériau, tels que la taille des particules, la forme, la distribution et la fluidité. Les particules de forme sphérique peuvent conduire à une densité plus élevée, par exemple, car elles peuvent atteindre la densité relative maximale par rapport à d'autres formes.

Cependant, comme il existe une gamme de variables qui peuvent affecter la densité d'une pièce, la règle générale est de considérer d'abord la qualité de votre poudre métallique et d'ajuster les paramètres du processus en conséquence.

3. Stress résiduel

Le chauffage et le refroidissement ultérieur sont les caractéristiques communes des procédés AM en métal. Cependant, lorsqu'une pièce est soumise à de telles variations thermiques extrêmes, cela peut entraîner des contraintes résiduelles. Les contraintes résiduelles ont un impact défavorable sur l'intégrité d'une pièce fabriquée, entraînant différentes formes de déformation. La concentration la plus élevée de contrainte résiduelle se trouve au niveau de la zone de contact entre le bas d'une pièce imprimée et un lit d'impression.

Réduire le stress résiduel

Comme le stress résiduel peut faire la différence entre une impression métallique réussie et une défaillance structurelle, ce problème doit être correctement traité, et il existe plusieurs façons de le faire :

• La modélisation prédictive peut être utilisée pour estimer les paramètres appropriés tels que l'apport de chaleur et l'épaisseur de la couche afin de construire des composants avec une faible contrainte résiduelle.
• La mise en place de structures de support et l'optimisation de l'orientation des pièces peuvent également minimiser l'apparition de contraintes résiduelles.
• Le préchauffage du lit d'impression et du matériau de construction avant le début de l'impression réduit les gradients de température, qui sont souvent à l'origine de la contrainte résiduelle. Cependant, comme l'EBM fonctionne à une température plus basse, cette technique est plus efficace avec l'EBM qu'avec le SLM ou le DED.
• Dans les procédés de fusion sur lit de poudre, la stratégie de balayage en « îlot » peut aider à atténuer l'accumulation de contraintes résiduelles. Cette stratégie fonctionne en divisant la zone d'exposition en sections plus petites, appelées « îlots », et maintient les longueurs des vecteurs de balayage plus courtes.

4. Fissuration et déformation

La contrainte résiduelle peut être très destructrice, entraînant un certain nombre de problèmes structurels dans une pièce, les fissures et le gauchissement étant les plus fréquents d'entre eux. De tels problèmes surviennent généralement lorsque le métal fondu se refroidit après l'impression. Le refroidissement provoque une contraction, ce qui fait que les bords d'une pièce se recourbent et se déforment. Dans les cas extrêmes, la contrainte peut dépasser la résistance de la pièce, entraînant la fissuration de la pièce (des fissurations peuvent également se produire si le matériau en poudre n'a pas été correctement fondu).

Éviter les fissures et le gauchissement

Il existe deux manières principales d’éviter la fissuration et le gauchissement de votre pièce métallique. Une option consiste à préchauffer le lit d'impression, tandis qu'une autre consiste à améliorer l'adhérence d'une pièce au lit d'impression et à placer la quantité nécessaire de structures de support. Le post-traitement thermique peut également aider à réparer les fissures mineures, tout en établissant le nombre correct de structures de support de votre part est essentiellement pour empêcher le gauchissement.

5. Post-traitement et rugosité de surface

En règle générale, les pièces métalliques ne sont pas prêtes pour leurs applications finales lors de leur première impression et devront subir une forme de post-traitement, telle que l'élimination de la poudre et des supports, un traitement thermique et une finition de surface. Mais très souvent, vous rencontrerez des défis lors des étapes de post-traitement.

Par exemple, vous pouvez avoir des difficultés à retirer les structures de support de vos pièces. Cela peut se produire, par exemple, si votre pièce métallique a des supports dans de petits trous et tubes. Ceux-ci peuvent être difficiles à enlever sans endommager la pièce et un usinage ultérieur sera nécessaire.

La rugosité de surface est un autre problème. Les composants fabriqués de manière additive pour les applications haut de gamme nécessitent une rugosité de surface moyenne, mais les pièces imprimées en 3D sont souvent produites avec des surfaces rugueuses et nécessitent un post-traitement supplémentaire tel que l'usinage, le meulage ou le polissage pour obtenir une meilleure finition. Comme la rugosité de surface est directement liée à l'épaisseur de la couche, elle peut être atténuée en imprimant avec des couches plus fines. Cependant, cette production d'une pièce en utilisant des couches plus fines peut augmenter considérablement le temps de construction.

Les surfaces rugueuses peuvent également résulter d'une mauvaise fusion de la poudre. Cela se produit lorsqu'une énergie insuffisante a été appliquée pour faire fondre complètement le métal. Dans ce cas, la rugosité de surface peut être réduite en augmentant la puissance de votre laser.

Pour résumer

Bien qu'il existe une série de défis potentiels lors de l'utilisation de la FA pour produire des pièces métalliques, comprendre ces défis est la première étape pour produire des composants fiables et de haute qualité. Et avec la croissance continue de l'impression 3D métal, nous assisterons certainement à une augmentation de l'utilisation de composants métalliques fabriqués de manière additive utilisés dans les applications industrielles.