Les meilleures poudres d'impression 3D métal pour 2020 : le guide ultime

Pour toute entreprise cherchant à s'initier à l'impression 3D métal, il est crucial de savoir quels métaux peuvent être utilisés avec cette technologie aujourd'hui. De la conception à la fabrication, choisir les bons matériaux garantit le plus haut standard possible pour le produit fini.
 
Pour vous aider à vous familiariser avec l'écosystème actuel des métaux pour la FA, nous explorons les alliages commercialement disponibles pour la Fusion sur Lit de Poudre, les exigences clés pour une impression réussie et comment l'utilisation des métaux évoluera à l'avenir. Mais explorons d'abord ce qu'est la Fusion sur Lit de Poudre.
 

Brève présentation des technologies de Fusion sur Lit de Poudre métal

 

 
La Fusion sur Lit de Poudre (PBF) métal est la technologie de fabrication additive (FA) métal la plus établie aujourd'hui.
 
Avec la PBF, des couches de poudre métallique sont uniformément réparties sur la plateforme de construction d'une machine et fusionnées sélectivement par une source d'énergie — soit un laser, soit un faisceau d'électrons.
 
Deux procédés clés d'impression 3D métal relèvent de la catégorie Fusion sur Lit de Poudre :
 

• Fusion Laser Sélective (SLM) / Frittage Laser Direct de Métal (DMLS)

 

• Fusion par Faisceau d'Électrons (EBM)

 
En SLM, un laser puissant et finement réglé est appliqué sélectivement sur une couche de poudre métallique. Ainsi, les particules métalliques sont fusionnées pour créer une pièce.
 
Une exigence importante pour le SLM est une chambre de construction fermée remplie de gaz inerte, comme l'argon. Cela empêche la contamination de la poudre métallique par l'oxygène et aide à maintenir la bonne température pendant le processus d'impression.
 
L'EBM fonctionne de manière similaire au SLM en ce que les poudres métalliques sont également fondues pour créer une pièce métallique pleinement dense. Pour prévenir la contamination et l'oxydation de la poudre, le processus EBM se déroule dans un environnement sous vide.
 
La différence clé entre les technologies SLM/DMLS et EBM est la source d'énergie : au lieu d'un laser, les systèmes EBM utilisent un faisceau d'électrons haute puissance comme source de chaleur pour fondre les couches de poudre métallique.
 
Puisqu'un faisceau d'électrons est généralement plus puissant qu'un laser, l'EBM est souvent utilisé avec des superalliages métalliques haute température pour créer des pièces pour des applications très exigeantes, comme les moteurs à réaction et les turbines à gaz. De plus, comme la technologie repose sur des charges électriques, l'EBM ne peut être utilisé qu'avec des métaux conducteurs, comme le titane et les alliages chrome-cobalt.
 

Exigences pour les poudres d'impression 3D métal

 
Pour assurer une production FA métal précise et répétable, les poudres métalliques doivent présenter des caractéristiques cohérentes.
 
En raison des différentes méthodes de production de poudre, les caractéristiques varient selon le procédé et l'alliage. Certaines des caractéristiques les plus importantes incluent:
 

• Distribution de Taille des Particules (PSD) : Des particules plus petites permettent une résolution plus fine des dimensions de la pièce et de la finition de surface. Dans la PBF, les systèmes EBM utilisent traditionnellement une PSD de 45–105 µm, tandis que la plupart des systèmes laser souhaitent une PSD de 15–45 µm.

 

• Morphologie : Des particules de poudre métallique lisses et de forme régulière sont préférables. Cela leur permet d'être bien compactées, ce qui résulte en un produit dense avec de bonnes propriétés mécaniques souhaitées.

 

• Fluidité : La fluidité de la poudre joue un rôle majeur dans la formation d'une couche de poudre homogène, car la poudre est étalée par le recoater.

 

• Densité : Une densité de compactage optimale de la poudre pendant l'écoulement et le traitement impacte positivement l'intégrité et la finition de surface des pièces imprimées en 3D. Les particules ellipsoïdales auraient un compactage naturel ou aléatoire meilleur et plus constant.

 

• Composition chimique/de phase : Cela explique pourquoi tous les alliages ne sont pas disponibles en poudre. La PBF favorise généralement les métaux soudables.

 

Quels métaux peuvent être imprimés en 3D par Fusion sur Lit de Poudre ?

 

Acier

 
Alliages disponibles pour la FA : 316L, Acier à outils H13, Acier Maraging, Acier de cémentation, Acier inoxydable 15-5 PH, Acier inoxydable 17-4 PH, Acier inoxydable série 300, Acier inoxydable série 400, Aciers à faible alliage

 
L'acier est à la fois le métal le plus largement utilisé et le plus recyclé sur Terre. Des aciers inoxydables et haute température, l'acier sous ses diverses formes et alliages offre différentes propriétés pour répondre à une large gamme d'applications.
 
En PBF métal, il n'y a qu'une dizaine d'alliages d'acier principaux largement imprimés aujourd'hui. Bien que l'ensemble des aciers imprimés soit encore restreint comparé aux technologies de travail du métal traditionnelles, des entreprises comme Carpenter, Sandvik, Höganäs, GKN et Oerlikon développent activement de nouveaux aciers pour la FA afin d'accéder à de nouveaux marchés.
 
Par exemple, GKN Additive Materials a récemment été pionnier de nouvelles poudres d'acier à faible alliage pour la FA. Grâce à leur ténacité et résistance à la corrosion, ces poudres créent de nouvelles opportunités pour la FA dans des secteurs comme l'automobile, où l'évolutivité et le coût sont des moteurs clés.
 
Aujourd'hui, l'utilisation de l'acier pour la production de pièces finales en FA croît, particulièrement dans les marchés plus récents pour l'impression 3D, comme le maritime et l'automobile. Cela fait de l'acier l'une des clés pour favoriser l'adoption de la technologie FA métal au-delà des industries médicales et aérospatiales traditionnelles.
 
Ces avancées indiquent que les aciers sont très susceptibles de devenir les matériaux FA métal les plus largement utilisés au cours des prochaines années.
 

Aluminium

 
Alliages disponibles pour la FA : Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
 
L'aluminium est un métal solide et léger qui combine d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques. Pour ces raisons, les alliages d'aluminium sont largement utilisés dans les industries aérospatiale, automobile et biomédicale.
 

 
Le cabinet de recherche AM, SmarTech, estime que l'impression 3D aluminium représentait environ 10 pour cent de toute l'impression métal en 2018. Depuis, il y a eu une augmentation significative du développement et de la commercialisation d'alliages d'aluminium pour la FA, stimulée par la demande dans les industries aérospatiale et automobile.
 
Par exemple, APWORKS, en collaboration avec Airbus, a développé le Scalmalloy pour applications aérospatiales. Le matériau offre le ratio buy-to-fly le plus bas, un atout particulier pour l'industrie aérospatiale.
 
Bien que le matériau ait été développé pour l'aérospatial, ses propriétés sont aussi attractives pour le secteur du sport automobile — c'est pourquoi le Scalmalloy a été récemment ajouté à la liste des matériaux FA approuvés pour la Formule 1.
 
Cependant, de nombreux alliages d'aluminium pour la FA restent très chers et ne répondent pas aux exigences des industries cibles. Par exemple, l'industrie automobile exige que les pièces en aluminium imprimées en 3D passent des tests de crash pour être considérées pour leur utilisation dans des véhicules produits en série.
 
Le groupe d'ingénierie EDAG a développé un nouvel alliage d'aluminium, connu sous le nom de CustAlloy, dans le cadre du projet de recherche « CustoMat_3D », axé sur l'adaptation de la FA pour la production en série automobile.
 
Le matériau nouvellement développé est conçu pour surmonter ces défis en offrant à la fois une résistance plus élevée et des allongements à la rupture plus élevés — des propriétés essentielles qui permettront aux pièces automobiles imprimées en 3D d'utiliser le nouvel alliage pour bien performer dans les tests de crash.
 

Titane

 
Nuances : Ti-6Al-4V (Grade 5), Ti-6Al-4V (Grade 23), Cp-Ti (Grade 1), Cp-Ti (Grade 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti5553, Ti6242
 
Le titane a d'excellentes propriétés matérielles, mais son coût élevé a historiquement limité son utilisation aux applications à haute valeur dans l'aérospatial.
 
Maintenant que l'impression 3D métal est de plus en plus reconnue comme une méthode de fabrication viable, la technologie rend le titane plus accessible aux industries comme le médical, l'automobile et le sport automobile.
 
Il y a un grand potentiel pour l'impression 3D titane, particulièrement dans le domaine des implants orthopédiques, grâce à la non-toxicité, la haute résistance et la résistance à la corrosion du titane.
 
Utilisé avec l'impression 3D, les fabricants de dispositifs médicaux peuvent créer des implants en titane avec des structures complexes et poreuses. Remarquablement, ces structures imitent la structure des os humains, de sorte que les cellules osseuses les reconnaissent comme un échafaudage à travers lequel croître.
 

 
La demande croissante de poudre de titane a poussé certains producteurs de poudre métallique à commencer la construction de nouvelles usines de production de titane et d'autres à augmenter leur production de poudres de titane.
 
Par exemple, Sandvik a ouvert une usine de poudre pour ses alliages de titane et superalliages à base de nickel sous la marque Osprey®, à la fin de 2019. Cette même année, PyroGenesis, un fabricant canadien de poudre métallique atomisée au plasma, a augmenté son taux de production de poudre de titane, ce qui a également permis à l'entreprise de réduire le coût d'une production de poudre de titane historiquement très coûteuse.
 

Cuivre et Métaux précieux

 
Alliages disponibles pour la FA : CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu Haute Teneur en Oxygène
 
Tous les métaux ne se prêtent pas bien à l'impression 3D. Par exemple, le cuivre est particulièrement difficile à imprimer, la grande majorité du cuivre imprimé en 3D étant actuellement basée sur des alliages de cuivre, pas le métal pur.
 
Le cuivre pur a un taux de réflexion laser de plus de 90 pour cent, et il est difficile pour le laser de fondre continuellement et régulièrement la poudre de cuivre pur.
 
Une voie à suivre est de développer de nouveaux systèmes capables d'imprimer de tels métaux.
 
Au Formnext 2018, TRUMPF a démontré sa technologie laser verte, capable d'imprimer du cuivre pur, ainsi que d'autres métaux précieux.
 
L'entreprise pense que l'impression 3D de cuivre pur peut devenir une alternative pour créer des inducteurs conducteurs et des échangeurs de chaleur, particulièrement utiles pour les applications électroniques, automobiles et spatiales.
 
En termes de métaux précieux, comme l'or, l'argent et le platine, l'avantage de l'impression 3D de ces matériaux réside dans la possibilité d'atteindre des designs complexes, idéaux pour la joaillerie, les accessoires et les objets décoratifs.
 
Cependant, l'impression 3D de métaux précieux est généralement indirecte et implique la production d'un moule en cire, qui est ensuite utilisé dans une technique de fonte à la cire perdue.
 
L'impression 3D directe avec métaux précieux, utilisant la PBF, est aussi possible, bien que le nombre de machines d'impression 3D compatibles avec les métaux précieux soit limité.
 

Superalliages

 
Les superalliages, une famille de mélanges métalliques basés sur le nickel, le cobalt ou le fer, sont résistants à la déformation à haute température, à la corrosion et à l'oxydation, particulièrement lorsqu'ils opèrent à une température élevée proche de leur point de fusion.
 
Développés à l'origine pour les composants de turbines à gaz dans les turboréacteurs, les superalliages sont maintenant largement utilisés pour les applications haute température dans les industries aérospatiale et de production d'énergie.
 

Nickel

 
Alliages disponibles pour la FA : Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
 
Les alliages de nickel sont devenus commercialement disponibles pour l'utilisation dans les procédés PBF métal dès 2007.
 
La demande actuelle pour les alliages de nickel est dominée par les superalliages de la famille Inconel — particulièrement les alliages IN625 et IN718 — grâce à leurs capacités significatives dans les applications nécessitant une grande dureté, une résistance à la traction, et peut-être le plus important, une résistance chimique et thermique.
 
En plus de ces deux alliages, il y a beaucoup plus de superalliages nickel-chrome offerts par les grandes entreprises métallurgiques. Plusieurs superalliages Haynes, superalliages Hastelloy et diverses formes d'Inconel deviennent maintenant plus établis.
 
Bien que l'industrie aérospatiale pilote actuellement la majorité de la demande pour la fabrication additive à base de nickel, il y a un énorme potentiel pour l'impression 3D de superalliages nickel dans les segments pétrole et gaz, énergie et industrie générale, comme le traitement chimique.
 

Cobalt

 
Alliages disponibles pour la FA : MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, Alliage Cobalt 188, Alliage Cobalt 509, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
 

 
Le lancement des premiers superalliages de cobalt commercialement disponibles pour l'impression 3D remonte à 2006. Depuis, l'utilisation du matériau a crû, poussée par la demande dans les industries médicale et aérospatiale.
 
Les superalliages de cobalt possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, ainsi qu'une résistance à la corrosion et aux hautes températures. L'alliage chrome-cobalt est particulièrement adapté aux applications médicales (implants orthopédiques) et dentaires, car il a une excellente biocompatibilité.
 

Fer

 
Alliages disponibles pour la FA : Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
Quelques fabricants de systèmes PBF métal offrent la possibilité d'imprimer l'Invar 36, un alliage nickel-fer, notable pour son expansion thermique extrêmement faible. L'Invar 36 est utilisé dans les composants nécessitant une stabilité dimensionnelle élevée sur une large plage de températures, comme dans les dispositifs radio et électroniques, les commandes d'avion, les systèmes optiques et laser.
 
Höganäs, l'un des principaux fabricants de poudres métalliques, fournit également une gamme de poudres à base de fer, résistantes à l'abrasion, l'usure et la corrosion, sous sa marque AMPERPRINT.
 

Métaux réfractaires

 

 
Les métaux réfractaires ont des propriétés extraordinaires, mais en même temps, ils sont extrêmement difficiles à travailler.
 
L'utilisation la plus courante des métaux réfractaires dans la FA aujourd'hui est en alliage avec les aciers, le nickel et les matériaux de cobalt pour créer de nombreux superalliages populaires.
 
Actuellement, seules quelques entreprises offrent des poudres de métaux réfractaires pour la FA.
 
H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, récemment rebaptisé TANIOBIS GmbH, est l'une de ces entreprises, fournissant une gamme de poudres de tantale et niobium (Ta/Nb) atomisés et leurs alliages, conçus pour la FA sous le nom de marque AMtrinsic.
 
Le tantale et le niobium, selon TANIOBIS, ouvriront de nouvelles opportunités dans la FA, citant leurs points de fusion élevés, leur haute résistance à la corrosion et leur haute conductivité thermique et électrique.
 
Des propriétés comme celles-ci permettraient aux entreprises d'appliquer la FA dans le traitement chimique, le secteur de l'énergie et une gamme d'environnements haute température.
 

La gamme toujours croissante de poudres d'impression 3D métal

 

 
En PBF métal, le développement des matériaux est un travail en cours. Le nombre de métaux disponibles pour l'impression 3D reste limité comparé à la fabrication traditionnelle, comme le moulage ou l'usinage.
 
Une raison en est le temps et les ressources nécessaires pour développer de nouvelles poudres métalliques pour la FA — dans certains cas, le processus de développement peut prendre quelques années.
 
Une autre raison réside dans les limitations matérielles, comme ce fut le cas avec la poudre de cuivre, qui nécessite une longueur d'onde laser différente, comparée aux autres métaux, pour être imprimée avec succès. Heureusement, les défis matériels sont surmontés pour élargir davantage le champ des métaux imprimables.
 
Malgré les défis, l'avenir de la PBF métal semble prometteur, car son adoption en production croît et plus d'industries commencent à adopter la technologie. Cela signifie une focalisation accrue sur de nouvelles chimies de matériaux qui aideront à débloquer de nouvelles applications et à faire passer l'impression 3D métal au niveau supérieur.