Dépôt énergétique direct (DED) :processus, avantages et limites

Le dépôt par énergie directe (DED), également appelé dépôt par énergie dirigée, est une approche particulière de la fabrication additive (impression 3D). Il dirige une source d'énergie vers un point du matériau source pour produire une petite quantité de matière fondue, puis ajoute du matériau d'alimentation à cette matière fondue afin de déposer un nouveau matériau sur le composant. Les détails sur les sources d'énergie DED disponibles, les différents systèmes d'alimentation, ainsi que les avantages et les inconvénients seront expliqués ci-dessous.

Qu'est-ce que le dépôt direct d'énergie (DED) ?

Le dépôt énergétique direct (ou dirigé) (DED) est une méthode de fabrication additive (impression 3D). Une source d'énergie est dirigée sur un point et le matériau d'alimentation est introduit au même endroit afin qu'il puisse être déposé sur la pièce. Il présente certaines similitudes avec le soudage robotisé dans lequel un fil métallique est fondu (déposé) sur le composant principal. Les dispositifs DED peuvent utiliser des faisceaux d'électrons, des lasers ou des arcs électriques pour former le bain de fusion. Le nouveau matériau peut se présenter sous forme de filament métallique ou de poudre.

Comment fonctionne le dépôt énergétique direct (DED) ?

Le dépôt d'énergie directe fonctionne en chauffant une zone spécifique du composant fabriqué jusqu'à la température de fusion, puis en ajoutant une matière première. La tête d'impression se déplace le long du chemin de construction, et la matière fondue se solidifie ensuite avec le matériau d'alimentation ayant été déposé sur le corps principal. 

La source d'énergie dirigée (soit un laser, un faisceau d'électrons ou un arc électrique) se trouve au centre d'une tête d'impression, avec le matériau d'alimentation à côté. Le matériau d'alimentation peut être fourni sous la forme d'un filament métallique ou d'une poudre. Le filament est alimenté selon un angle de sorte qu’il fond au point focal de la source d’énergie. La poudre, quant à elle, est transportée par un gaz inerte à travers des buses disposées concentriquement autour de la source d'énergie et dirigées vers le point de fusion.

La tête d'impression possède plusieurs plans de mouvement. Il peut être monté sur une tête CNC multi-axes ou sur un bras robotique articulé. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur les types de fabrication additive.

Quels sont les avantages de l'utilisation de la technologie DED ?

L'utilisation de la technologie DED présente de nombreux avantages :

1. Volumes de construction relativement importants : Parce que la tête d'impression d'une machine DED est généralement montée sur une tête CNC multi-axes ou sur un bras articulé, elle peut couvrir une surface assez grande par rapport aux autres méthodes d'impression 3D (notamment celles qui travaillent le métal). Les impressions peuvent dépasser un mètre cube. 
2. Matériaux multiples :De nombreuses matières premières sont compatibles avec la fabrication DED. Ils peuvent être introduits soit via un mélange de poudre, soit via plusieurs alimentations en filaments. En fait, la composition des matériaux peut être modifiée au cours de la construction.
3. Moins de gaspillage de matériaux : Par rapport à la fusion sur lit de poudre, moins de matériau d'alimentation en excès doit être appliqué pour terminer l'impression.
4. Contrôle de la structure des grains : Le DED permet un certain contrôle de la structure granulaire du matériau déposé. En ajustant la vitesse de la tête d'impression, vous pouvez contrôler le temps de refroidissement.
5. Peut être utilisé pour réparer : DED ne se limite pas à créer de nouvelles pièces à partir de zéro, comme la plupart des processus d'impression 3D. Les machines peuvent également déposer du matériau directement sur une pièce existante. Cela signifie que DED peut être utilisé pour réparer des composants endommagés ou usés.

Quels sont les inconvénients de l'utilisation de la technologie DED ?

Le DED n'est pas la solution idéale dans tous les cas, car la technologie présente certains inconvénients :

1. Basse résolution : Généralement, la technologie DED n’est capable de créer des fonctionnalités qu’avec une faible résolution de détail. Ceci dépend de l'épaisseur du fil d'alimentation et de la taille du bain de fusion. La résolution dépend également de la vitesse d'impression :une impression plus rapide entraînera une résolution inférieure.
2. Coût d'investissement élevé : Les appareils DED sont chers. La plupart ont besoin de systèmes complexes tels qu'une chambre d'impression hermétiquement fermée, un système sous vide ou à gaz inerte, une salle de poudre pour les systèmes avec alimentation en poudre, etc. Il s'agit d'une technologie relativement nouvelle, elle n'a donc pas encore fait l'objet de nombreuses améliorations permettant de réduire les coûts. 
3. Post-traitement : Les pièces fabriquées avec la technologie DED nécessitent généralement un post-traitement pour obtenir de belles finitions de surface. Cela se présente généralement sous la forme d'un léger usinage et d'un polissage afin d'éliminer l'excès de dépôt et de créer une surface lisse et homogène.

Quels matériaux peuvent être utilisés avec le DED ?

DED est capable d'imprimer avec des matériaux variés. La majorité des matériaux utilisés avec les technologies DED sont des métaux tels que :le titane et ses alliages, l'Inconel®, le tantale, le tungstène et certaines variétés d'acier inoxydable.

Certains non-métaux fonctionnent également sur les machines DED :un type de fibre de carbone peut être imprimé dans lequel un filament de carbone est placé dans un polymère thermoplastique. Les céramiques d'alumine et de zircone fonctionnent également bien avec le DED.

Quels sont les exemples d'applications du DED ?

La fabrication additive avec des métaux et d'autres matériaux donne au DED la possibilité de s'adapter à de nombreuses applications, dont certaines ne sont pas des options pour d'autres méthodes d'impression 3D : 

1. Réparation des pièces existantes : L’objectif principal de la technologie DED est la réparation de pièces métalliques. La méthode permet de déposer de nouveaux matériaux sur des surfaces complexes. En ajustant la vitesse et la source d'énergie, il est également possible de contrôler la structure des grains du matériau déposé pour qu'elle corresponde à celle de la pièce d'origine. Le DED est donc utilisé pour réparer des composants coûteux tels que les aubes de turbine.
2. Forme proche du résultat : DED peut fabriquer des pièces très proches de leurs dimensions prévues. Ceci est très précieux lors de la fabrication de matériaux exotiques et coûteux ou de matériaux très difficiles à couper et à usiner.
3. Pièces composites ou hybrides : DED vous donne la possibilité d'imprimer avec différents matériaux en même temps. Un mélange de matériaux compatibles peut entrer dans la composition de l'article imprimé, et sa composition peut même varier tout au long de l'impression.

Quels facteurs affectent la qualité des pièces DED ?

La qualité d’impression du DED est cruciale pour l’utilité des produits finis. Les facteurs suivants ont une influence sur la qualité :

1. Porosité : La porosité du matériau déposé entraîne des points faibles :les pores sont essentiellement des défauts internes. La porosité doit être minimisée en séchant la poudre pour empêcher l'humidité de pénétrer et en utilisant correctement un gaz de protection.
2. Vitesse de numérisation : La vitesse à laquelle la tête se déplace le long du chemin de construction affecte la taille du bain de fusion, la vitesse de refroidissement et donc la structure des grains. Ensemble, tout cela a un impact sur la qualité de la pièce. La vitesse optimale dépendra du matériau utilisé et de la structure des grains souhaitée.
3. Puissance : La puissance fournie par la source d'énergie a un effet direct sur la matière fondue et est liée à la vitesse de balayage. Le transfert d'énergie vers le composant doit être suffisant pour faire fondre correctement le matériau hôte même lorsque la tête d'impression DED se déplace le long du chemin de construction. S’il ne produit pas assez de puissance, la qualité d’impression ne sera pas à la hauteur. 

Quels sont les défis courants liés à la mise en œuvre de la technologie DED ?

La technologie DED est complexe et difficile à mettre en œuvre. 

1. Coûts d'investissement élevés :L’un des principaux obstacles à la mise en œuvre de la technologie DED est l’investissement initial important nécessaire à sa mise en place. 
2. Manque de techniciens qualifiés : Des opérateurs qualifiés et expérimentés sont nécessaires pour faire fonctionner le système DED de manière efficace et précise. Comme il s’agit d’un domaine en pleine croissance, il est difficile de trouver des techniciens qualifiés. Vous pouvez choisir de former votre personnel en interne plutôt que d’embaucher de nouvelles personnes, mais cela n’est ni rapide ni bon marché. 
3. Nouvelle approche de conception : Lors de la conception de composants à construire à l’aide de la technologie DED, vous devez toujours tenir compte du mouvement de la tête d’impression. Si elles ne sont pas conçues dès le départ, de nombreuses pièces nécessiteront une refonte avant d’être fabriquées avec DED. Ce processus ajoute des efforts et des heures de travail à chaque fois.
4. Absence de normes : La fabrication additive, en général, est encore une technologie relativement nouvelle et de nouvelles approches technologiques sont développées chaque année. Il existe peu de standardisation dans les processus de gestion, de conception ou de fabrication des informations numériques pour ces systèmes.

Que devez-vous prendre en compte lors du choix de l'équipement DED ?

La décision d’acheter un appareil DED nécessite beaucoup de recherche et de réflexion. Il y a un certain nombre d'aspects clés à étudier lors du choix de l'équipement DED :

1. Compatibilité des matériaux : La partie la plus importante de la décision concerne les matériaux que vous attendez de votre équipement. Une machine capable d’imprimer de la céramique sera très différente d’une machine destinée uniquement aux métaux. 
2. Volume de création : Une autre considération clé est le plus gros composant que vous comptez fabriquer. Cela dictera le volume de construction global de votre équipement DED. 
3. Précision : Selon le type de composants et le post-traitement que vous envisagez, vous devrez peut-être choisir un équipement en fonction de sa précision. Vous pourriez être obligé de peser les compromis entre une machine plus grande et plus rapide et une autre avec une meilleure précision. 

Comment le DED se compare-t-il aux méthodes de fabrication traditionnelles ?

DED est capable de construire un composant beaucoup plus proche de sa forme finale (forme quasi nette) que la plupart des options de fabrication standard. Il utilise ainsi beaucoup moins de matière pour réaliser l’article fini. Les méthodes de fabrication traditionnelles nécessitent un bloc de matériau source qui est ensuite sculpté à l'aide de méthodes de fabrication soustractives. Ils enlèvent de la matière pour arriver à la pièce finale. Cet enlèvement de matière génère beaucoup de déchets de matière sous forme de chutes et copeaux. Par conséquent, le DED est plus efficace que les méthodes traditionnelles en termes d'utilisation de matériaux.

Les processus DED peuvent également générer des pièces plus complexes grâce au mouvement multi-axes de la tête d'impression et à la nature de la construction progressive d'un composant, une couche à la fois. Les objets fabriqués traditionnellement sont plus limités en termes de géométrie. Habituellement, les pièces complexes doivent être construites sous la forme d’une série de pièces plus petites à assembler après coup. 

Quelles sont les préoccupations environnementales concernant la technologie DED ?

Les impacts environnementaux de la fabrication additive dans son ensemble sont toujours à l’étude. La préoccupation environnementale la plus courante liée aux technologies de fabrication additive, y compris le DED, est leur forte demande en énergie. Le choix du procédé de fabrication le plus efficace (entre les méthodes soustractives classiques et les procédés additifs plus récents) dépend de la complexité et du volume des pièces à fabriquer.

Quels sont les types de SSO ?

Il existe actuellement trois variantes différentes de la technologie DED. Ils sont classés en fonction de la source d'énergie utilisée pour faire fondre la matière première :

1. DED à base de plasma ou d'arc électrique

Un arc électrique est créé entre la tête d'impression et la pièce. La fabrication additive à l’arc filaire (WAAM) est l’une des principales méthodes basées sur l’arc. 

2. DED au laser

Un laser optique est utilisé comme source d'énergie dans cette variante, également appelée mise en forme du réseau d'ingénierie laser (LENS). La fabrication en forme nette signifie que la pièce fabriquée d'origine est très proche des dimensions (nettes) finies. Avec LENS, le dépôt du matériau doit avoir lieu dans un environnement inerte pour éviter l'oxydation, ce qui signifie soit que la chambre de fabrication doit être entièrement purgée avec un gaz inerte, soit qu'une alimentation en gaz de protection doit circuler constamment comme une enveloppe autour du point de dépôt.

3. DED basé sur un faisceau d'électrons

Un faisceau d'électrons est utilisé pour fournir l'énergie nécessaire à la fusion de la charge dans le cadre de l'approche connue sous le nom de fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM). Ce processus DED doit se produire dans le vide pour empêcher les électrons d'interagir avec les molécules d'air.

Quels sont les types de flux DED ?

Chaque appareil DED délivre du matériau à la surface de la pièce en utilisant l'une des deux méthodes d'alimentation suivantes : 

1. DED à base de poudre

Avec une alimentation en poudre, la buse qui fournit la source d'énergie contient également des buses d'alimentation en matériau disposées de manière concentrique autour d'elle et qui dirigent la poudre vers le point de dépôt. Un flux de gaz inerte est utilisé pour délivrer la poudre, et le gaz inerte agit en outre pour inhiber l'oxydation ou d'autres réactions chimiques entre les matériaux fondus et l'environnement. 

2. DED filaire

Le DED à base de fil est similaire au soudage dans la mesure où le matériau d'alimentation est fourni sous forme de filament métallique. Ce fil est alimenté sous un angle à côté de la source d'énergie et à un débit constant dicté par le taux de dépôt.