Les défis et les solutions uniques de l'impression 3D métal

L'impression 3D métal n'est pas sans défis et opportunités pratiques. Obtenez une meilleure compréhension de l'endroit où s'attendre à des problèmes et comment les traiter. De plus, découvrez les technologies émergentes qui pourraient changer la direction du marché.

L'avenir est arrivé dans l'impression 3D métal - et son prix d'entrée pourrait faire des vents contraires. Les grands garçons de la fabrication sont dans ce domaine assez profondément et ils peuvent avoir besoin de l'aide d'un petit magasin spécialisé. Que faut-il pour adopter la 3D et le métal ensemble ? Adopter de nouvelles approches d'ingénierie et s'habituer à de nouveaux matériaux tels que les poudres métalliques, pour commencer.

SpaceX construit des éléments clés avec lui. Tout comme la NASA, Boeing, Lockheed Martin et GE Aviation. Ces fabricants et d'autres sont des pièces métalliques d'impression 3D destinées à être utilisées dans les avions qui nous transportent de ville en ville, les engins spatiaux qui amènent les astronautes en orbite proche de la Terre et les fusées qui lancent des Tesla Roadsters rouges vers la ceinture d'astéroïdes. Les entreprises médicales se lancent également dans le jeu de la fabrication additive avec des implants imprimés en 3D pour les prothèses de hanche et des plaques de réparation du crâne pour les victimes d'accidents. Les produits automobiles et de consommation font également la queue.

Si vous êtes un sous-traitant de l'une de ces grandes entreprises aérospatiales, vous comprenez déjà les défis qui accompagnent cette technologie complexe. Bien qu'il ne remplacera pas les processus d'usinage et de fabrication CNC traditionnels ou nombreux au cours de notre vie, il modifie le paysage des options de fabrication disponibles.

Regardez les chiffres :le chercheur de marché IDTechEx prévoit que l'impression 3D métal atteindra une industrie de 12 milliards de dollars d'ici 2028, contre environ 2,5 milliards de dollars en 2018. Une étude EY de 2016 a révélé que 52 % des entreprises interrogées choisissent le métal dans l'impression 3D plutôt que tout autre matériau. . Le matériau suivant le plus proche, le polymère, a recueilli 31 % de la demande, dont 6 % espéraient imprimer de la céramique.

"Les entreprises le choisissent [métal] car il permet d'imprimer des produits à partir de métaux précieux, de titane, d'acier à outils, d'acier inoxydable et d'alliages d'aluminium", explique EY dans le rapport. « Parmi les entreprises qui utilisent déjà l'impression 3D métal, les entreprises de deux secteurs arrivent en tête :l'aérospatiale et l'automobile. Soixante-cinq pour cent de ces entreprises utilisent l'impression 3D métal; ce ratio élevé est dû au grand nombre de composants métalliques dans les produits de ces secteurs.”

Soyez prêt à attendre et à nettoyer les pièces et composants métalliques imprimés en 3D

Avant de vous lancer dans l'impression 3D, préparez-vous. Cela peut sembler évident, mais construire des pièces de cette manière n'a rien à voir avec l'extraction d'un bloc d'aluminium ou la rotation d'un arbre en chrome-cobalt. L'outil est un laser, le matériau est un tas de poudre métallique et le luminaire est une plaque métallique plate. Chargez le programme, appuyez sur cycle start et des heures ou des jours plus tard, votre pièce est prête. Presque.

Voici le hic :non seulement les vitesses de construction avec l'impression 3D métal sont extrêmement lentes par rapport à l'usinage, mais les pièces ne sont pas nécessairement terminées lors du traitement, ni complètement précises. Que vous le connaissiez sous le nom de frittage laser direct de métal, de fusion par faisceau d'électrons ou de fusion laser sélective, les tolérances typiques utilisant la fusion sur lit de poudre sont d'environ +/- 0,005 pouces avec une finition de surface comparable à un moulage à la cire perdue (chiffre autour de 125 Ra, dans le meilleur des cas ). Cela signifie que l'usinage est généralement nécessaire pour nettoyer les surfaces critiques, les trous d'alésage, les filetages coupés et plus encore.

De plus, la fusion sur lit de poudre nécessite des structures telles que des échafaudages pour soutenir la pièce pendant le traitement. Cela signifie qu'un meulage, un grenaillage et un usinage supplémentaire peuvent être nécessaires pour retirer ces supports.

Voulez-vous des informations plus fondamentales sur pourquoi et comment la 3D a eu un impact ? Découvrez "Le cas de l'impression 3D dans la fabrication".

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C'est chaud :le stress de l'impression 3D sur les métaux

Il y a aussi le stress thermique à considérer. Les lasers et les faisceaux d'électrons chauffent des particules de titane, d'aluminium, d'acier inoxydable, de cobalt-chrome, d'acier à outils et des dizaines d'autres alliages jusqu'à leur point de fusion, qui peut dépasser 2 700 degrés. Une fois chaque couche terminée, de la poudre fraîche est ajoutée et le processus recommence. Comme vous pouvez l'imaginer, ce chauffage et ce refroidissement répétitifs créent un stress énorme qui doit être contrôlé pendant le processus de construction, puis recuit après la construction grâce à un traitement thermique.

C'est beaucoup à penser et à gérer. De plus, ceux qui poursuivent une stratégie d'impression 3D doivent se pencher sur l'évolutivité, la modélisation, la superposition et la simulation.

Évolutivité

Jusqu'à assez récemment, la plus grande imprimante 3D métal était à peine assez grande pour imprimer un grille-pain. Aujourd'hui, les machines disponibles dans le commerce peuvent fabriquer des pièces de la taille d'un canoë et déposer 20 livres de métal par heure. De quelle taille de machine avez-vous besoin, quelle technologie est la meilleure et quel est votre budget ? Vous pouvez imaginer que cela coûtera 1 million de dollars ou plus, sans compter la courbe d'apprentissage.

Modélisation

L'un des plus grands obstacles auxquels sont confrontés les fabricants d'additifs est la conception des pièces. Les ingénieurs doivent apprendre à penser différemment s'ils veulent réussir avec cette technologie, et cela signifie adopter des géométries complexes et des «formes organiques» qui étaient auparavant impossibles à fabriquer. Bien sûr, c'est aux machinistes et aux ingénieurs de fabrication de trouver comment fixer les pièces de forme irrégulière qui se présentent à eux.

Superposition

Une fois la conception approuvée, le programmeur ou l'opérateur de l'imprimante 3D doit concevoir les structures de support et déterminer la meilleure façon de positionner et de construire la pièce. La bonne nouvelle est qu'il existe de nombreux logiciels conçus à cet effet, et cette tâche est loin d'être aussi difficile qu'elle l'était autrefois.

Simulation

Le lit est rempli de poudre, la plaque de construction est propre et le métal est prêt à fondre. Avant d'appuyer sur le bouton, cependant, il est important d'évaluer le processus de construction à l'aide d'une simulation logicielle. Cela aidera à identifier les zones où les contraintes thermiques peuvent faire leur apparition, à détecter les endroits où des structures de support sont nécessaires (ou inutiles) et à confirmer si la conception de la pièce existante est adaptée à l'impression 3D.

Métal imprimé en 3D, rencontrez votre nouvel ami, le polymère

Dans le monde de l'impression 3D métal, la fusion sur lit de poudre règne en maître, du moins pour le moment. Plusieurs nouvelles technologies se rapprochent du territoire des lits de poudre, y compris les approches de pulvérisation thermique et d'extrusion promettant des coûts inférieurs (de l'ordre de 120 000 $ contre 500 000 $ et plus), une plus grande précision et des vitesses de construction beaucoup plus rapides. L'une d'entre elles fonctionne un peu comme une imprimante à jet d'encre, sauf que "l'encre" est constituée d'une poudre métallique mélangée à un liant polymère.

La pièce est construite dans un état «vert» avant d'être placée dans un four pour le frittage, ce qui est un peu différent du processus de moulage par injection de métal vieux de plusieurs décennies. Puisqu'il utilise la même poudre métallique, il est loin d'être aussi examiné par la métallurgie que les autres poudres additives. Et comme toutes les technologies d'impression 3D métal, elle produit des pièces entièrement denses.

Semblable à la technologie «binder-jet» utilisée dans certaines imprimantes polymères plus récentes, les vitesses de construction seraient 10 à 100 fois plus rapides que leurs concurrents. Les coûts des machines sont une fraction de ceux des machines-outils à lit de poudre ou hybrides. Les structures de support sont peu nécessaires et celles qui sont utilisées peuvent être retirées facilement après le frittage. Et comme il n'y a pas de lumière laser - seulement des UV pour durcir le matériau liant - et que le métal est fourni dans des cartouches imprimables que tout employé de bureau connaîtrait, il y a beaucoup moins de problèmes de santé et de sécurité.

"L'adoption de l'impression 3D métallique pour la fabrication de pièces d'utilisation finale a été une étape que certaines entreprises d'usinage ont franchie, mais ce n'était pas quelque chose que les magasins pouvaient faire partout", note Peter Zelinski, rédacteur en chef de Modern Machine Shop, dans le article "L'arrivée de la FA métallique low-cost ?" « Désormais, l'impression 3D métal à moindre coût pourrait signifier que les ateliers utiliseront régulièrement des méthodes additives et soustractives pour les pièces métalliques. Et cela pourrait également signifier que la gamme de pièces métalliques adaptées à l'additif s'apprête à s'élargir. »

Avez-vous de l'expérience avec l'impression 3D métal ou tout autre processus de fabrication additive ? Comment cela s'est-il passé pour vous et votre boutique ?