Obtenir des pièces tout-métal de haute qualité avec l'impression 3D FDM

Image 1 : Modèle en acier haute teneur en carbone Filamet™ fritté. Source : The Virtual Foundry

The Virtual Foundry est une entreprise américaine, basée dans le Wisconsin, formée par de grands experts du secteur du métal en fusion, qui travaillent sans relâche depuis 2014 pour améliorer et faire croître sa gamme de filaments et accessoires pour l'impression 3D métal FDM. Au début, ils ont réussi à fabriquer des filaments avec de hauts pourcentages de laiton, cuivre ou bronze, mais leur structure après frittage ne contenait pas les propriétés des métaux. Grâce à une campagne Kickstarter, The Virtual Foundry a obtenu assez de soutien pour faire évoluer ses filaments afin d'atteindre les mêmes propriétés que le métal pur et a étendu sa gamme de matériaux (acier inoxydable 316L, fer haute teneur en carbone, aluminium 6061 et tungstène). Tous les types de Filamet™ consistent en un métal de base et un polymère biodégradable et écologique (PLA). Ce matériau est exempt de particules métalliques exposées et de solvants volatils qui pourraient être libérés pendant l'impression. Ces matériaux sont extrêmement simples à imprimer, car 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 de coûteuses imprimantes 3D métal industrielles FDM. 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 éliminé, les pièces présentent de la porosité, une perte de volume et de l'anisotropie. Les imprimantes 3D DMLS parviennent à imprimer des pièces complètement solides (similaires à la fonderie), avec un grand détail, des hauteurs de couche de 0,02 mm et sans besoin de post-traitement ; le seul inconvénient par rapport à l'impression 3D FDM Filamet™ est le coût du matériau, de la fabrication et des imprimantes elles-mêmes.

Image 2 : Cônes en Filamet™ bronze non fritté et fritté. Source : The Virtual Foundry

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 basé sur un objet formé par de la poudre métallique compactée, auquel on applique un traitement thermique à une température inférieure à celle de la fusion, mais suffisamment élevée pour lier les particules métalliques de manière résistante, résultant en 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 se faire dans un four à environnement ouvert ou sous vide ou environnement inerte.

Frittage en environnement ouvert

Pour le frittage en environnement ouvert, il faut du charbon de noix de coco pour frittage, un récipient réfractaire (creuset) et de la poudre réfractaire d'Al₂O₃. 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 sur 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 sur la surface du creuset doit être rempli de charbon fritté ou le creuset doit être placé dans le four.

Image 3 : Processus de frittage. Source : The Virtual Foundry

Frittage sous vide ou environnement inerte

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

The Virtual Foundry fournit le tableau suivant des températures recommandées, que ce soit pour le frittage en environnement ouvert ou sous vide ou environnement inerte :

Matériau	Température max de frittage
Bronze	871 °C
Cuivre	1074 °C
316L	1260 °C
Inconel	1260 °C

Tableau 1 : Matériaux et températures maximales de frittage.

L'utilisateur doit tenir compte que ces temps et températures sont indicatifs et qu'ils peuvent varier en fonction de nombreux aspects, comme le modèle de four utilisé, par exemple. Les filaments de la gamme Filamet non inclus dans le tableau sont considérés comme expérimentaux, donc le fabricant n'a pas de données pour le frittage.

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

Après le frittage (en environnement ouvert ou sous vide ou environnement inerte) de n'importe quel filament de la gamme Filamet™, on obtient des pièces tout-métal, avec les propriétés réelles du métal comme la conductivité électrique, post-traitées par ponçage et polissage ou même assemblées par soudage ; mais avec une certaine porosité et une réduction de volume due à la perte de PLA. L'utilisateur doit également tenir compte 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 poudreux et cassant, le temps de frittage n'a pas été suffisant. Si l'impression présente une surface semblable à de la peau ridée, elle est sur-frittée.

Filamet cuivre Filamet bronze Filamet acier 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 de verre à l'eau, il est possible d'éliminer les lignes d'impression et autres petites déformations car les particules détachées pendant le ponçage adhèrent aux vides dus à la chaleur de friction. 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 disque radial 3M), en prenant soin de ne pas déformer les zones les plus délicates, comme les coins. Une fois toute la surface poncée, il faut utiliser un papier de verre du grain suivant et ainsi de suite jusqu'à augmenter 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 on obtient un certain brillant. Finalement, une fois la pièce nettoyée avec un chiffon en 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. Appliquez simplement un peu de cire de polissage sur le disque de polissage et polissez avec des mouvements constants sur toute la pièce pour ne pas générer d'excès de chaleur, qui pourrait déformer la pièce. En plus du ponçage et du polissage des pièces fabriquées avec Filamet™, elles peuvent être gravées, fondues, soudées et lissées par application de chaleur.

Image 4 : Seau en cuivre poli. Source : The Virtual Foundry

Après avoir vu comment obtenir des pièces tout-métal avec l'impression 3D FDM, nous pouvons conclure en disant que cette technologie d'impression, avec l'aide des filaments métalliques de The Virtual Foundry, a réussi à atteindre les quelques secteurs qu'elle devait conquérir, en particulier certaines branches industrielles.