Maîtriser le Metal Binder Jetting : innovation, applications et opportunités industrielles

Image ci-dessus : Les vis M5 imprimées en 3D avec le système de Digital Metal [Crédit image : Digital Metal]

Le metal binder jetting connaît une renaissance. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses nouvelles entreprises sont entrées en mode compétition, chacune avec sa propre approche de cette technologie.

Une telle activité est en partie alimentée par les nombreuses opportunités lucratives que cette technologie présente. D'une part, la vitesse élevée et la précision du processus de metal binder jetting peuvent l'établir comme une nouvelle méthode de production à haut volume.

Mais quels développements pilotent le succès de cette technologie ?

Aujourd'hui, nous examinerons comment le metal binder jetting a évolué et pourquoi il décolle comme une nouvelle technologie de fabrication.

Les origines du metal binder jetting

Les origines de la technologie metal binder jetting remontent à 1993, lorsque le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a développé un processus à base de jet d'encre pour créer des objets tridimensionnels en utilisant des poudres métalliques.

Fait intéressant, le terme « 3D Printing » a été initialement inventé par le MIT en référence à la technologie metal binder jetting.

L'entreprise de fabrication Extrude Hone Corporation a obtenu une licence exclusive pour la technologie du MIT en 1996. Depuis, l'entreprise a développé et commercialisé des systèmes de metal binder jetting, avec la première imprimante 3D, ProMetal RTS-300, livrée à Motorola en 1999.

ExOne, qui s'est détachée d'Extrude Hone Corporation en 2005, est restée la seule entreprise à offrir des services et systèmes de metal binder jetting jusqu'au début des années 2010. À ce moment, les premiers brevets du MIT pour la technologie ont commencé à expirer, permettant à de nouvelles entreprises d'entrer sur le marché.

Depuis, le metal binder jetting a été relancé avec la vision de rendre cette technologie véritablement adaptée à la production à travers les industries.

Comment fonctionne le metal binder jetting ?

Dans le metal binder jetting, un liant liquide est appliqué sélectivement pour assembler les particules de poudre, couche par couche.

Le processus commence par l'étalement d'une fine couche de poudre, avec des têtes d'impression déposant stratégiquement des gouttelettes de liant dans le lit de poudre. La plaque d'impression s'abaisse ensuite et une autre couche de poudre est étalée.

Le processus se répète jusqu'à ce que la pièce soit complète, avec la poudre inutilisée (environ 95 %) recyclée.

Avec le metal binder jetting, les pièces qui viennent d'être imprimées restent dans un état « vert » fragile et nécessiteront un post-traitement ultérieur, tel que le frittage et l'infiltration, pour renforcer la pièce.

En plus des métaux, le binder jetting peut fonctionner avec une gamme d'autres matériaux, comme le sable et la céramique.

Étapes de post-traitement pour le Metal Binder Jetting

La technologie traditionnelle de binder jetting fonctionne en utilisant une tête d'impression pour appliquer un agent liant liquide sur des couches de poudre.

Lors de l'impression de métaux avec la technologie Binder Jetting, cependant, les pièces nécessiteront diverses étapes de post-traitement car elles sont initialement imprimées dans leur état vert, ce qui signifie qu'elles possèdent de faibles propriétés mécaniques et sont très souvent faibles et fragiles. L'étape de post-traitement vise à renforcer les pièces, et comprend le durcissement, le frittage, l'infiltration et d'autres processus de finition.

1. Durcissement (Curing)

Le durcissement augmente la résistance des pièces vertes pour qu'elles puissent être retirées en toute sécurité du lit d'impression. Durant le processus, les pièces sont durcies dans un four à environ 200°C pendant plusieurs heures, résultant en des pièces beaucoup plus résistantes.

2. Frittage (Sintering)

Malgré le durcissement, vos pièces métalliques seront encore très poreuses. Cependant, vous pouvez réduire significativement la porosité des pièces par frittage ou infiltration. Typiquement, le processus de frittage a lieu dans un four à atmosphère contrôlée, où la pièce est traitée thermiquement à environ 100°C pendant 24 à 36 heures et l'agent liant brûlé. Cela aide à fusionner les particules métalliques ensemble et résulte en une pièce métallique solide à faible porosité. Le frittage peut cependant causer un retrait non homogène de la pièce et être difficile à prévoir — cela doit donc être pris en compte à l'étape de conception.

3. Infiltration

Pour atteindre une haute densité, la pièce devra être infiltrée pour combler les vides laissés par l'agent liant brûlé. Cela se fait généralement en appliquant du bronze fondu pour infiltrer les vides restants dans la pièce. Subir ces étapes de post-traitement améliorera significativement les propriétés mécaniques de la pièce métallique ; par exemple, l'infiltration de bronze d'acier inoxydable peut atteindre une densité finale de 95 %.

4. Finition

Enfin, bien que facultatif, la pièce peut être polie et plaquée or ou nickel pour obtenir des finitions de surface esthétiquement plaisantes.

Pourquoi le metal binder jetting décolle-t-il comme technologie de production ?

Le metal binder jetting offre un certain nombre d'avantages uniques, facilitant son adoption pour les applications de production.

Premièrement, le binder jetting ne fait pas fondre la poudre métallique pendant le processus d'impression, éliminant les problèmes liés à l'accumulation de contraintes résiduelles.

Deuxièmement, aucune structure de support n'est requise pour le processus de metal binder jetting, puisque les pièces imprimées sont entourées de poudre libre inutilisée. Ces deux avantages aident à maintenir le post-traitement au minimum.

De plus, les machines de binder jetting sont moins chères que les imprimantes 3D basées sur les processus SLM ou DED. Une raison en est qu'elles n'utilisent pas de lasers ou de faisceaux d'électrons coûteux.

Les nouvelles machines de metal binder jetting sont également capables d'utiliser des poudres Metal Injection Moulding (MIM). Ces poudres sont significativement moins chères que les poudres métalliques développées spécifiquement pour l'impression 3D, qui sont généralement produites en faibles volumes, en utilisant des méthodes de production coûteuses comme l'atomisation au gaz.

Passer aux poudres MIM permettra donc aux fabricants de réduire davantage les coûts d'exploitation pour cette technologie.

En plus de matières premières moins chères, le binder jetting se vante de la capacité d'imprimer des pièces très précises avec des propriétés mécaniques comparables à celles trouvées dans les composants métalliques fabriqués traditionnellement.

Enfin, la vitesse du processus de metal binder jetting est généralement plus rapide que celle des autres processus d'impression 3D métal. Tous ces avantages combinés résultent en une technologie très évolutive et capable de production.

Les derniers développements faisant progresser le metal binder jetting

Les années 2010 marquent une nouvelle ère pour le metal binder jetting. Des startups aux acteurs plus établis, un certain nombre d'entreprises cherchent activement à repousser les limites de ce qui est actuellement possible avec la technologie de metal binder jetting.

ExOne continue d'innover

ExOne est l'un des plus anciens acteurs dans l'arène du metal binder jetting. Au cours de son histoire, ExOne a lancé quatre systèmes de metal binder jetting, chacun étant une évolution du précédent.

Par exemple, en 2018, l'entreprise a introduit l'Innovent+, marquant une nouvelle génération de systèmes de metal binder jetting chez ExOne. Bien que le système soit plus lent que l'imprimante 3D M-Flex précédente d'ExOne, il possède deux nouvelles fonctionnalités importantes.

Premièrement, il est équipé d'un recoater ultrasonique, développé pour améliorer la fluidité de la poudre et simplifier le changement de matériau. ExOne affirme que le nouveau recoater représente la technologie de distribution de poudre la plus avancée du marché.

Le recoater est livré avec quatre configurations de tamis pour une plus grande compatibilité des matériaux. Cette caractéristique s'inscrit dans un autre développement clé : la machine peut traiter des poudres MIM standard.

Les autres imprimantes 3D à lit de poudre métallique, en particulier celles qui utilisent un laser ou un faisceau d'électrons, nécessitent des poudres spécialement formulées pour fonctionner de manière cohérente. Cependant, de telles poudres sont souvent beaucoup plus chères que les matériaux pour les technologies traditionnelles de traitement des métaux.

En permettant à l'Innovent+ de supporter les poudres MIM, ExOne peut introduire des économies de coûts et une plus grande flexibilité matérielle pour les utilisateurs de ses machines.

Continuant d'innover, l'entreprise a mis à l'échelle la technologie derrière l'Innovent+ dans une imprimante 3D de niveau production X1 25PRO. Introduite le mois dernier, la machine peut imprimer jusqu'à 10 matériaux différents sur son grand volume de construction de 400 x 250 x 250 mm.

Avec ce système, l'entreprise vise à permettre la production de composants métalliques industriels avec haute résolution, tolérances serrées et finitions de surface améliorées.

Digital Metal : automatiser le metal binder jetting

Une autre entreprise à marquer le développement du metal binder jetting est Digital Metal, une filiale d'un producteur de poudre métallique de premier plan, Höganäs Group.

Digital Metal a été fondée en 2012 et a commencé à offrir sa technologie de metal binder jetting en tant que service en 2013.

En 2017, Digital Metal a lancé son imprimante 3D DM P2500, destinée à la production en série de petites pièces complexes.

La machine fonctionne en étalant une couche de poudre métallique de 0,042 mm d'épaisseur. Un liant est ensuite projeté selon la géométrie de la pièce. Ce processus est rapporté comme précis et répétable, permettant de fabriquer des pièces très petites mais incroyablement détaillées à une résolution de 35 microns.

Le processus de frittage subséquent résulte en une rugosité de surface moyenne de Ra 6,0 micron, suffisamment fine pour de nombreuses pièces d'utilisation finale et caractéristiques telles que les canaux internes.

Digital Metal affirme que ses imprimantes 3D métal ont déjà produit plus de 300 000 composants dans diverses industries, y compris l'aérospatial, les biens de luxe, les outils dentaires et l'équipement industriel.

Pour faire progresser sa technologie, Digital Metal a lancé un concept de production entièrement automatisé l'année dernière.

Selon ce concept, un robot gérera la majorité des étapes du processus telles que l'alimentation de l'imprimante avec des boîtes de construction et leur retrait pour le post-traitement. L'objectif est d'éliminer tout travail manuel pour faciliter une production continue et à haut volume.

En lançant cette ligne de production sans intervention manuelle, Digital Metal a fait un bond de géant avec sa technologie de metal binder jetting.

HP Metal Jet : Rendre l'impression 3D compétitive en coûts pour la production

Après avoir dévoilé sa technologie Multi Jet Fusion pour pièces polymères en 2016, HP a introduit la prochaine extension de ses offres additives en 2018 : son système d'impression 3D Metal Jet.

La nouvelle imprimante 3D métal est propulsée par la technologie binder jetting. Cependant, l'avantage unique qu'HP a apporté à cette technologie réside dans sa technologie innovante de tête d'impression et d'encre.

Bien que la technologie binder jetting soit intrinsèquement rapide, HP a appliqué sa connaissance de la technologie de tête d'impression pour la rendre encore plus rapide. Le système Metal Jet est équipé de 6 têtes d'impression avec 5 280 buses chacune. Avoir ces multiples rangées de buses introduit une plus grande productivité et fiabilité à l'imprimante.

De plus, en tirant parti de son expertise en technologie d'encre, HP a développé un agent liant innovant pour rendre le processus de frittage plus rapide et moins cher.

« Avec le moulage par injection de métal, vous avez généralement plus de 10 % en poids de liant qui doit être brûlé. Dans notre cas, nous en avons moins de 1 %, ce qui est d'un ordre de grandeur de moins, le rendant plus rapide, moins coûteux et beaucoup plus simple à fritter », déclare Tim Weber, Global Head of Metals de HP, s'exprimant dans une interview avec AMFG.

Ces avancées combinées résultent en une imprimante 3D métal qui est censée atteindre des économies et des efficacités comparables aux technologies de production conventionnelles.

HP ne vend pas encore la machine. Au lieu de cela, l'entreprise a lancé un service de production de pièces, cherchant à rendre l'imprimante 3D commercialement disponible en 2020. Compte tenu des affirmations d'HP sur Metal Jet, cette technologie pourrait devenir la clé pour débloquer une proposition de valeur durable pour l'impression 3D métal en production à haut volume.

3DEO : Combiner binder jetting et fraisage

De nombreuses entreprises cherchent à rendre l'impression 3D métal compétitive avec d'autres techniques de fabrication. Une telle entreprise est 3DEO, fondée en 2016 avec l'objectif de permettre la production à haut volume par metal binder jetting.

Pour y parvenir, l'entreprise a entièrement réinventé le processus. Au lieu d'utiliser le jet d'encre pour déposer sélectivement le liant, les machines de 3DEO utilisent un système de pulvérisation propriétaire pour appliquer le liant uniformément sur toute la couche.

Le résultat est une couche dure et fine de poudre métallique qui est ensuite fraisée à l'aide de micro-fraises. L'opération CNC découpe la forme de la pièce pour chaque couche.

Cette technologie, appelée Intelligent Layering, représente la première instance de combinaison de binder jetting et de fraisage CNC dans un système hybride. Une telle combinaison permet à 3DEO de créer des pièces métalliques très précises avec plus de 99,5 % de densité après frittage.

La technologie Intelligent Layering de 3DEO n'est actuellement offerte aux clients que via le service de production de l'entreprise. En limitant sa technologie à son propre service de production, 3DEO assure une haute qualité des pièces imprimées tout en gardant sa plateforme très flexible.

Présentement, 3DEO travaille sur certaines des plus grandes commandes de l'industrie de l'impression 3D métal, et a récemment remporté un bon de commande pour 28 000 pièces.

Bien que l'entreprise ne prévoie pas de vendre ses machines, ses volumes de production croissants servent de validation de la capacité du binder jetting à livrer des pièces de production à la hauteur des composants fabriqués conventionnellement.

Desktop Metal : imprimer des pièces métalliques à une vitesse frappante

La startup basée à Boston, Desktop Metal, a été fondée en 2015 avec l'objectif de tenir la promesse de l'impression 3D pour la production à grande échelle. Pour y parvenir, l'entreprise a développé un système de production extrêmement rapide.

La technologie derrière l'imprimante 3D métal est ce que l'entreprise appelle Single Pass Jetting (SPJ), une version plus rapide du processus typique de binder jetting.

Le système est livré avec deux têtes d'impression pleine largeur, des distributeurs de poudre avancés et un système anti-ballistique qui étalent efficacement la poudre et impriment en un seul passage rapide sur la zone de construction.

Avec un volume de construction de 750 x 330 x 250 mm, ce système bidirectionnel permet l'impression haute résolution jusqu'à 12 000 cm³/h, ce qui se traduit par plus de 60 kg de pièces métalliques par heure. Une telle vitesse est des ordres de grandeur plus rapide que les autres imprimantes 3D métal sur le marché, ce qui la rend idéale pour la production de pièces métalliques complexes à haut volume.

De plus, le Production System est le premier système binder jet à être équipé d'un environnement inerte industriel qui comprend le recyclage de gaz et la récupération de solvant pour l'impression sécurisée de métaux réactifs. Cela ouvre la possibilité d'imprimer une plus large gamme de métaux, par exemple, l'aluminium.

Avec son Production System, Desktop Metal a maximisé les avantages de la technologie metal binder jetting en ajoutant une amélioration substantielle de la vitesse.

Desktop Metal n'a rendu son Production System disponible à l'achat que récemment, il faudra donc du temps pour voir si ses affirmations de vitesse de production sont prouvées. Mais si c'est le cas, le Production System deviendra l'imprimante 3D binder jetting la plus rapide disponible sur le marché aujourd'hui.

Regard vers l'avenir

Le metal binder jetting devient l'une des technologies clés d'impression 3D métal adaptées à la production. Ce qui le permet, ce sont les capacités uniques de la technologie à atteindre des vitesses d'impression élevées et à fabriquer des composants de haute précision.

Un autre développement clé pilotant le succès du metal binder jetting est sa compatibilité avec des poudres MIM déjà bien connues et relativement bon marché.

Un certain nombre d'entreprises ont reconnu le potentiel de rupture du metal binder jetting et travaillent maintenant dur pour saisir les opportunités qu'il présente.

À l'avenir, nous verrons ces entreprises faire évoluer le metal binder jetting encore davantage. En fin de compte, cela aidera la technologie à se tailler une part précieuse du marché total de la fabrication.

>> En savoir plus sur l'impression 3D métal dans notre Guide définitif de l'impression 3D métal.