Une introduction à la fusion par faisceau d'électrons

La fusion par faisceau d'électrons (EBM) est une technologie de fabrication additive métallique qui utilise un faisceau d'électrons pour faire fondre des couches de poudre métallique. Introduit pour la première fois en 1997 par la société suédoise Arcam, l'EBM est idéal pour la fabrication de pièces d'extrémité légères, durables et denses. La technologie est principalement utilisée dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et de la défense.

Dans le didacticiel d'aujourd'hui, nous examinerons le processus de production d'EBM, ses avantages et ses limites, ainsi que les matériaux et les domaines d'application de la technologie EBM.

Comment fonctionne la fusion par faisceau d'électrons ?

La fusion par faisceau d'électrons, comme SLS et DMLS, appartient à la famille de fusion sur lit de poudre. Cependant, contrairement aux autres technologies AM en métal, qui utilisent un laser comme source de chaleur, l'EBM utilise un faisceau d'électrons de haute puissance pour faire fondre des couches de poudre métallique. Les couches fondues de poudre métallique sont ensuite fusionnées pour créer une pièce métallique.

Une vue étape par étape :

1. La plaque de construction est recouverte d'une couche de poudre métallique.
2. Lorsque la couche est préchauffée, le puissant faisceau d'électrons fait fondre sélectivement la poudre dans les zones définies par le modèle CAO numérique.
3. La couche suivante est ensuite déposée et le faisceau fond et fusionne les couches ensemble.
4. Le processus est répété jusqu'à ce que la forme finale d'une pièce soit atteinte. Après avoir retiré l'excès de poudre, la pièce métallique peut ensuite subir un post-traitement.
   

Pour éviter la contamination et l'oxydation de la poudre, le processus d'impression a lieu dans un environnement sous vide.

Avantages de l'EBM

L'EBM offre un certain nombre d'avantages qui le distinguent des autres technologies de FA métal.

• Le processus EBM utilise un faisceau plusieurs fois plus puissant qu'un laser - la principale source de chaleur utilisée dans d'autres technologies d'impression 3D métalliques. Cette puissance de faisceau accrue (plusieurs faisceaux d'électrons sont utilisés simultanément dans le processus EBM) signifie en fin de compte des vitesses d'impression plus rapides.
• EBM peut produire des pièces métalliques de haute qualité comparables à celles produites avec des méthodes de fabrication traditionnelles telles que le moulage.
• Non seulement les pièces possèdent de fortes propriétés mécaniques, mais elles ont aussi généralement une densité élevée (plus de 99 %), grâce au processus de préchauffage et aux températures élevées requises lors de l'impression. Le préchauffage du lit d'impression minimise également les contraintes résiduelles, un problème courant rencontré avec l'impression 3D métallique, réduisant ainsi le besoin de structures de support.
• L'EBM offre un minimum de déchets, car la plupart de la poudre inutilisée peut être recyclée pour une utilisation future - un avantage particulier compte tenu des coûts substantiels des matériaux utilisés dans l'EBM.

Limites de l'EBM

• D'un autre côté, les pièces EBM ont généralement un niveau de précision inférieur à celui des pièces SLM, car les imprimantes SLM utilisent des poudres et des couches plus fines que l'EBM. Des couches plus épaisses peuvent souvent donner une finition de surface rugueuse, et les pièces EBM nécessitent un post-traitement supplémentaire important pour obtenir une surface plus lisse.
• Le choix des matériaux pouvant être utilisés dans le processus EBM est plutôt limité ; cela est en partie dû au fait que le processus nécessite des matériaux de haute qualité et coûteux, qui doivent également subir des tests approfondis au préalable.
• Le coût des matériaux ainsi que le coût des imprimantes 3D EBM font de cette technologie une option coûteuse, adaptée uniquement aux applications industrielles.

Matériaux

Une gamme limitée de métaux peut être utilisée avec l'EBM, y compris les alliages de titane (idéal pour les implants médicaux), le cobalt-chrome, les poudres d'acier et l'alliage de nickel 718. Ces matériaux présentent une résistance élevée, une résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques supérieures, ce qui est extrêmement précieux dans les applications stressantes. Il est important de noter que tout matériau utilisé dans l'EBM doit être conducteur, car le processus repose fortement sur des charges électriques.

EBM serait également la seule solution AM commerciale pour la fabrication de pièces en aluminure de titane (TiAl). Le TiAl est particulièrement réputé pour sa légèreté, sa solidité et sa résistance à la chaleur, bien qu'il soit sujet à la fissuration.

Applications courantes

Les applications les plus courantes de la technologie EBM se trouvent dans les secteurs médical et aérospatial, car la technologie offre un moyen efficace de produire des pièces légères et complexes.

• Au sein de l'industrie médicale, l'EBM peut être utilisé pour produire des implants trabéculaires et d'autres implants médicaux, personnalisés pour répondre aux besoins du patient. LimaCorporate, un fabricant italien d'appareils orthopédiques, a été l'une des premières entreprises à reconnaître le potentiel de la technologie EBM pour l'industrie orthopédique.
• En ce qui concerne l'aérospatiale, l'EBM est particulièrement utile pour produire des composants aérospatiaux avec une réduction de poids substantielle. GE, par exemple, utilise déjà la technologie EBM pour imprimer en 3D des aubes de turbine pour moteurs à réaction.

Pour résumer

Bien que l'EBM soit le mieux adapté aux applications industrielles exigeantes, la technologie démontre l'énorme potentiel de la fabrication additive métallique. Capable de produire des pièces métalliques complexes comparables aux technologies de fabrication traditionnelles, EBM propose une solution innovante pour la fabrication de petites séries, de prototypes et même de pièces de support en utilisant l'impression 3D. Et alors que le nouvel Arcam EBM Spectra H arrive sur le marché, il est clair que d'autres innovations avec EBM se profilent à l'horizon, étendant ses cas d'utilisation à davantage de secteurs industriels.