Comment obtenir des pièces entièrement métalliques avec l'impression 3D FDM

Image 1 :Modèle en acier à haute teneur en carbone Filamet™ et fritté. Source :La fonderie virtuelle

The Virtual Foundry est une entreprise américaine, dont le siège est dans le Wisconsin, formée par de grands experts du secteur du métal en fusion, qui travaillent constamment depuis 2014 pour améliorer et développer sa gamme de filaments et d'accessoires pour l'impression 3D FDM sur métal. Au début, ils ont réussi à fabriquer des filaments avec des pourcentages élevés de laiton, cuivre ou bronze mais leur structure après avoir été frittée ne contenait pas les propriétés des métaux. Grâce à une campagne Kickstarter, The Virtual Foundry a obtenu suffisamment de soutien pour faire évoluer ses filaments afin d'obtenir les mêmes propriétés que le métal pur et a élargi sa gamme de matériaux (acier inoxydable 316L, fer à haute teneur en carbone, aluminium 6061 et tungstène). Tous les types de Filamet™ sont constitués d'un métal de base et d'un polymère biodégradable et écologique (PLA). Ce matériau est exempt de particules métalliques exposées et de solvants volatils pouvant être libérés lors de l'impression. Ces matériaux sont extrêmement simples à imprimer, puisque leurs propriétés d'impression sont similaires à celles du PLA, ce qui permet à tout utilisateur d'une imprimante 3D FDM de créer des pièces avec ces filaments, sans avoir besoin d'acheter des imprimantes métalliques 3D FDM industrielles coûteuses. L'un des principaux avantages des matériaux Filamet™ est qu'ils atteignent des propriétés similaires à celles possibles avec la technologie DMLS mais avec certaines limitations. En raison de la nécessité de fritter les pièces imprimées avec ce filament, où le PLA est retiré, les pièces présentent une porosité, une perte de volume et une non-isotropie. Les imprimantes 3D DMLS parviennent à imprimer des pièces complètement solides (semblables au moulage), avec beaucoup de détails, des hauteurs de couche de 0,02 mm et sans avoir besoin de post-traitement, le seul inconvénient par rapport à l'impression 3D FDM Filamet™ est le coût du matériau, la fabrication et les imprimeurs eux-mêmes.

Image 2 :Cônes en Filamet™ bronze non fritté et fritté. Source : La fonderie virtuelle

Pour que la pièce imprimée soit complètement métallique, elle doit être frittée dans un four. Le frittage est un processus de fabrication de pièces solides à base d'un objet formé de poudre métallique compactée, auquel un traitement thermique est appliqué à une température inférieure à celle de la fusion, mais suffisamment élevée pour lier les particules métalliques de manière résistante, ce qui entraîne un bloc totalement solide. Après l'impression avec Filamet™, les pièces doivent être frittées pour éliminer le PLA qui fait partie du filament. Le frittage peut être effectué dans un four avec un environnement ouvert ou un environnement sous vide ou inerte.

Fritté en milieu ouvert

Pour le frittage dans un environnement ouvert, un charbon de coque de noix de coco pour le frittage, un récipient réfractaire (creuset) et Al₂ O₃ poudre réfractaire est nécessaire. Le processus commence par le ponçage des bords rugueux de la pièce pour de meilleurs résultats.

Tout d'abord, le creuset doit être rempli de poudre réfractaire en laissant un espace libre à la surface du creuset. Ensuite, la pièce doit être immergée dans la poudre réfractaire en veillant à laisser un espace d'au moins 15 mm entre la surface de la pièce et les parois et les parties supérieure et inférieure du creuset. La poudre réfractaire ne doit pas être compactée.

À ce stade, selon le matériau à fritter, l'espace libre à la surface du creuset doit être rempli de carbone fritté ou le creuset doit être placé dans le four.

Image 3 :Processus de frittage. Source : La fonderie virtuelle

Fritté sous vide ou environnement inerte

Pour le frittage sous vide ou en milieu inerte, un creuset (récipient de cuisson) et de la poudre réfractaire sont nécessaires . La pièce est préparée pour le frittage en la plaçant à l'intérieur du creuset et en la recouvrant de poussière réfractaire, en tenant compte qu'il doit y avoir au moins 10 mm de poussière entre les surfaces de la pièce et le creuset. Le creuset est ensuite placé dans le four.

La Fonderie Virtuelle fournit le tableau suivant des températures recommandées, soit pour le frittage en milieu ouvert, soit sous vide ou en milieu inerte :

Matériel	Température maximale de frittage
Bronze	871 °C
Cuivre	1 074 °C
316L	1 260 °C
Inconel	1 260 °C

Tableau 1 :Matériaux et températures maximales de frittage.

L'utilisateur doit tenir compte du fait que ces temps et températures sont indicatifs et qu'ils peuvent varier selon de nombreux aspects, comme le modèle de four qu'il utilise, par exemple. Les filaments de la gamme Filamet non inclus dans le tableau sont considérés comme expérimentaux, de sorte que le fabricant ne dispose pas de données pour le frittage.

Si vous ne disposez pas d'un four répondant aux exigences de frittage de pièces imprimées en 3D avec des filaments Filamet™, vous pouvez nous contacter et nous vous informerons de la faisabilité et des conditions de frittage dans nos installations.

Après frittage (en milieu ouvert ou sous vide ou en milieu inerte) de tout filament de la gamme Filamet™, on obtient toutes les pièces métalliques, avec les propriétés réelles du métal comme la conductivité électrique, post-traitées par ponçage et polissage voire collage par soudage; mais avec une certaine porosité et une réduction de volume due à la perte de PLA. L'utilisateur doit également tenir compte du fait que les propriétés mécaniques du produit final sont directement liées au temps pendant lequel la pièce imprimée est maintenue à la température de frittage. Si le produit final est pulvérulent et cassant, le temps de frittage n'a pas été suffisant. Si l'impression montre une surface semblable à une peau ridée, elle est trop frittée.

Filamet cuivre Bronze Filamet Filamet acero
inox 316L Filamet
aluminium 6061

Post-traitement :ponçage et polissage

Une fois frittée, la pièce peut être poncée et polie de la même manière qu'un métal mais en suivant une série d'indications. Avec du papier abrasif à l'eau, il est possible d'éliminer les lignes d'impression et autres petites déformations car les particules lâches lors du ponçage adhèrent aux interstices en raison de la chaleur du frottement. En cas d'utilisation de papier de verre ou de disque radial 3M, il est recommandé de commencer le ponçage avec un grain de 120 (80 pour le disque radial 3M), en veillant à ne pas déformer les zones les plus délicates, telles que les coins. Une fois que toute la surface a été poncée, il faut utiliser un papier de verre du grain suivant et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il augmente de 6 ou 7 (4 fois pour le disque radial 3M). Avant de passer au polissage final, il est recommandé d'utiliser un papier de verre de grain 3000, avec lequel un certain brillant est obtenu. Enfin et une fois la pièce nettoyée avec un chiffon de flanelle, la pièce peut être polie. TVF recommande d'utiliser un outil rotatif avec un disque de polissage et de la cire de polissage pour rendre le polissage plus rapide et plus efficace. Il suffit d'appliquer un peu de cire à polir sur le disque de polissage et de polir avec des mouvements constants sur toute la pièce afin de ne pas générer un excès de chaleur qui pourrait déformer la pièce. En plus du ponçage et du polissage des pièces fabriquées avec Filamet™, elles peuvent être sculptées, fondues, soudées et lissées par application de chaleur.

Image 4 :Seau en cuivre poli. Source :La fonderie virtuelle

Vu comment obtenir des pièces entièrement métalliques avec l'impression 3D FDM, nous pouvons conclure en disant que cette technologie d'impression, avec l'aide des filaments métalliques The Virtual Foundry, a réussi à atteindre les quelques secteurs qu'elle devait conquérir, en particulier certains de la branche industriel.