Fabrication additive par ultrasons : Impression 3D métal à basse température expliquée

La fabrication additive par ultrasons (UAM), également connue sous le nom de consolidation par ultrasons (UC), est une technologie de fabrication additive (FA) ou d'impression 3D métal. L'UAM appartient à la famille des procédés FA de « stratification de feuilles », aux côtés de la fabrication d'objets stratifiés (LOM).

Comparée aux autres techniques FA, l'UAM utilise des températures relativement basses — bien en dessous des températures de fusion des matériaux utilisés — et sert à produire des pièces métalliques plutôt que du plastique ou du nylon.

Brève histoire de l'UAM

Le procédé UAM a été développé par Dawn White, qui a commercialisé l'invention en 1999 en fondant Solidica Inc. pour vendre de l'équipement UAM commercial.

En 2007, Solidica a collaboré avec l'Edison Welding Institute pour redessiner le processus d'outillage afin d'améliorer la qualité de liaison et d'étendre le nombre de métaux utilisables. La collaboration a abouti à un nouveau procédé UAM, connu sous le nom de « fabrication additive par ultrasons à très haute puissance ».

Le partenariat a fondé une nouvelle entreprise — Fabrisonic LLC — en 2011 pour commercialiser le nouveau procédé UAM à haute puissance et vendre une nouvelle gamme d'équipements UAM.

Fabrication additive par ultrasons expliquée

Comme la plupart des procédés FA, les machines UAM créent des pièces basées sur un modèle de Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Une fois un modèle réalisé, le fichier est « tranché » en sections transversales 2D utilisées pour construire la pièce couche par couche — plus de détails dans un instant.

Cependant, au-delà de l'aspect modélisation 3D, l'UAM diffère significativement des autres techniques FA. Là où la plupart des techniques FA — comme le SLS — produisent des pièces à partir de matériau en poudre, l'UAM utilise des feuilles de feuille de métal. De plus, contrairement aux autres techniques FA, l'UAM n'utilise pas de chaleur. Au lieu de cela, elle utilise un outil appelé sonotrode pour créer des vibrations ultrasoniques qui — en combinaison avec la pression — forcent deux couches de métal à se lier ensemble.

(Source : The Effect of Ultrasonic Additive Manufacturing on Integrated Printed Electronic Conductors, Electronic Material Letters 14, 413-425, 2018)

Le processus de fabrication se présente ainsi :

• Une plaque de base en métal solide est fixée en place sur la plateforme de construction
• Une feuille de métal est déposée sur la plaque de base, et toute la plateforme de construction est tirée sous le sonotrode, liant la feuille à la plaque de base. À ce stade, la pièce n'est pas façonnée
• Ce processus est répété jusqu'à ce que les couches liées atteignent une profondeur prédéterminée
• Une machine CNC — similaire à celles utilisées dans l'usinage CNC soustractif traditionnel — taille la pièce en enlevant l'excès de feuille
• Ce cycle est répété jusqu'à ce que la pièce atteigne une hauteur spécifiée
• Un outil de fraisage plus petit façonne davantage la pièce et complète tout fraisage interne requis pour la pièce finie
• Le cycle UAM complet est répété jusqu'à ce que la pièce soit finie
• La pièce est retirée de la plateforme de construction, et la plaque de base est détachée

Comme vous pouvez le voir, l'UAM est en fait un processus hybride additif et soustractif, qui combine l'approche par couches des techniques FA avec le fraisage CNC soustractif.

Machines de fabrication par ultrasons

Le procédé UAM utilise une gamme de machines d'impression 3D par ultrasons développées par Fabrisonic, LLC. Les machines peuvent créer des liaisons extrêmement solides même entre différents métaux. Et, comme le processus n'implique pas de chaleur élevée, le processus de liaison ne provoque pas de changements dans la structure moléculaire des couches, évitant les caractéristiques fragiles inhérentes à certains autres procédés FA métalliques.

Un autre avantage des machines Fabrisonic est qu'elles peuvent lier des métaux qui ne peuvent pas être utilisés avec d'autres techniques, notamment le cuivre et l'aluminium.

Bien sûr, si les machines sont indéniablement impressionnantes, elles ne conviennent pas à un usage domestique. Avec même la machine R&D la plus petite coûtant juste sous 200 000 $, les machines UAM Fabrisonic sont réservées aux usages industriels et de recherche.

Pré-traitement des modèles pour la fabrication par ultrasons

Avant de pouvoir produire une pièce en utilisant l'UAM, vous devez d'abord passer par la phase de pré-traitement. Durant cette phase, le modèle CAO 3D de la pièce à produire est analysé à l'aide de logiciels de modélisation spécialisés.

La préparation des données pour l'UAM suit un processus similaire à la préparation des données pour le SLS. Bien que l'UAM n'ait pas les mêmes limitations que le SLS en ce qui concerne les parois minces et les arêtes vives, elle nécessite tout de même un certain degré de pré-traitement :

• Les pièces incorporant des géométries complexes doivent être simplifiées à l'aide d'un outil de simplification géométrique
• Les concepteurs devraient utiliser des outils et techniques de modélisation par simulation pour s'assurer que la pièce est adaptée à l'impression UAM et résistera à une utilisation réelle

Une fois la pièce traitée, un logiciel de « tranchage » est utilisé pour convertir le modèle 3D en couches 2D appelées sections transversales. Bien que des applications gratuites puissent compléter ce processus de préparation de données, les concepteurs professionnels sont mieux servis en utilisant un logiciel reconnu.

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Avantages et limitations de la fabrication additive par ultrasons

L'UAM offre trois avantages significatifs que la plupart des autres procédés FA ne peuvent pas offrir.

1. Elle peut produire des pièces métalliques avec des canaux internes « impossibles »

De nombreuses pièces nécessitent des canaux internes, souvent pour le refroidissement. Cependant, avec d'autres procédés FA comme le FDM et le SLS — et certainement avec les techniques de fabrication soustractive traditionnelles — produire des pièces avec des chemins d'écoulement 3D conformes complexes est quasi impossible. Avec l'utilisation de « l'UAM à très haute puissance », les machines Fabrisonic modernes peuvent fabriquer des pièces en aluminium et cuivre, ce qui aide à évacuer la chaleur tout en réduisant le poids.

2. Elle peut lier plusieurs métaux

Parce que l'UAM n'implique pas de chaleur élevée, elle ne modifie pas la microstructure des métaux utilisés. En conséquence, l'UAM peut lier des métaux dissemblables sans créer les incompatibilités et structures fragiles inhérentes aux autres technologies de procédés FA métalliques. Une large gamme de combinaisons de matériaux est possible.

3. Elle peut intégrer des capteurs et circuits

Le plus incroyable, les pièces UAM peuvent même être imprimées avec des capteurs et circuits internes — une capacité unique en FA. Cela n'est pas possible dans la fabrication traditionnelle, car les contraintes et températures impliquées endommageraient ces composants sensibles. Avec l'UAM, des capteurs peuvent être intégrés n'importe où dans une structure métallique, lui donnant de nombreuses applications précieuses dans la santé, le contrôle de processus, et même l'Internet des Objets (IdO).

Enfin, comme l'UAM nécessite moins de creusage que des techniques comme le SLS, elle gaspille aussi moins de matériau.

Cependant, tout cela a un prix — littéralement. Comme nous l'avons noté plus tôt, la plus petite machine vendue par Fabrisonic coûte presque 200 000 $. L'entreprise ne liste pas les prix de ses machines plus grandes, mais les organisations peuvent s'attendre à payer un montant substantiellement plus élevé pour elles.

Quand avez-vous besoin d'utiliser l'UAM ?

Compte tenu de sa capacité à lier une grande variété de métaux différents, l'UAM a des applications claires dans les industries aérospatiale et automobile. Sa capacité à produire des pièces avec des canaux de refroidissement complexes est extrêmement précieuse dans ces industries et d'autres telles que la fabrication industrielle, les dispositifs médicaux et les équipements de haute technologie.

De plus, la facilité de l'UAM à produire des pièces avec capteurs et circuits intégrés la rend hautement souhaitable pour produire des appareils IoT intelligents dans une large gamme d'industries. De nombreuses industries traditionnelles utilisent maintenant un large éventail de capteurs et dispositifs de suivi pour gérer les opérations de manière autonome, et l'UAM est souvent utilisée pour produire des pièces pour ces appareils.

Bien sûr, aussi précieux que soit l'UAM, il dépend fortement de la capacité du fabricant à produire des modèles 3D précis et optimisés. Et, compte tenu de la complexité de nombreuses pièces UAM, un logiciel puissant est nécessaire pour produire ces modèles.

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