L’impression 3D métal évolue rapidement :comment tirer parti des nouvelles technologies en toute sécurité

Qu'est-ce que l'impression 3D métal ?

Tout d’abord, les bases :il existe plusieurs méthodes de fabrication additive métallique, y compris le DMLS (frittage laser direct de métal) plus répandu ainsi que la méthode plus récemment populaire de projection de liant métallique. Dans le DMLS, la poudre métallique est directement fondue (ou frittée) par un laser couche par couche pour créer des pièces. Cependant, le jet de liant métallique dépose de l'adhésif dans un bac de poudre métallique, permettant aux pièces imprimées d'être extraites de la matière première une fois terminées sans avoir à retirer les structures de support. À partir de là, les pièces peuvent être cuites et frittées ou infusées avec un métal (comme le bronze) pour atteindre leur forme finale. Cela permet une production plus massive de pièces métalliques une fois l'optimisation de la conception initiale terminée.

Comment la fabrication additive métallique évolue

Les perturbations de la chaîne d'approvisionnement survenues ces dernières années ont considérablement accru la popularité d'un domaine déjà en croissance rapide, en particulier pour les entreprises médicales et aérospatiales. Les prévisions de Deloitte et PwC pour 2018 et 2019 prévoyaient que l’impression 3D continuerait de gagner en popularité, en partie parce que le métal et d’autres matériaux non plastiques devenaient disponibles pour l’impression 3D. PwC a spécifiquement prédit la croissance de toute une chaîne d’approvisionnement de fabrication additive métallique, comprenant des entreprises qui produisent elles-mêmes les imprimantes et les logiciels, des fournisseurs de matériel d’impression et des sociétés de services. Cela s'est concrétisé sur des marchés de niche, car davantage de technologies sont proposées pour compléter l'impression 3D métallique, signe de la maturité du secteur.

Alors que l’impression 3D métal était initialement limitée aux imprimantes DMLS industrielles massives, elle a évolué vers des machines plus complexes et plus petites qui permettent une plus grande gamme de production. De plus en plus de petites imprimantes 3D métalliques, notamment des modèles à jet de liant métallique, arrivent sur le marché. Ceux-ci prennent moins de place dans une usine et coûtent beaucoup moins cher, éliminant ainsi les barrières à l’entrée pour les entreprises qui souhaitent se lancer dans la fabrication additive métallique. Dans le même temps, les fabricants d’imprimantes industrielles de plus grande taille créent des lits d’impression plus grands pour permettre la création d’un plus grand nombre de pièces par impression. Ils ajoutent également continuellement de plus en plus de lasers aux grandes imprimantes DMLS, ce qui augmente la vitesse et la cohérence d'une impression, la rendant plus facile à prédire.

Prédire les résultats de la fabrication additive métallique devient également plus facile. Alors qu'à l'origine, l'utilisateur ne pouvait voir le résultat de la pièce qu'en l'imprimant, les imprimantes plus récentes disposent d'un meilleur logiciel pour prédire les résultats de la conception. Des concepts tels que les jumeaux numériques, qui simulent le résultat d’une pièce imprimée en 3D avant le début de l’impression, aideront également à empêcher les erreurs de s’infiltrer à mesure qu’elles progressent. Un jour, ces jumeaux seront également capables de travailler sur plusieurs programmes et machines, car une pièce passe par de nombreux processus de fabrication.

Le matériau métallique lui-même est de plus en plus disponible pour la fabrication additive. Les coûts des filaments et des poudres métalliques devraient baisser. De plus, certaines imprimantes sont arrivées sur le marché et utilisent un matériau de moulage par injection de métal encapsulé dans un polymère, moins cher que les métaux d'impression 3D traditionnels. Dans le même temps, les entreprises manifestent déjà un intérêt croissant pour les métaux à haute performance comme les métaux réfractaires comme le tungstène. À l’avenir, davantage de métaux hautes performances seront disponibles pour les applications industrielles, notamment des alliages à haute entropie. Cependant, la fabrication additive des plastiques continue d'évoluer et pourrait éventuellement remplacer les métaux pour certaines propriétés, comme alternative moins chère aux alliages coûteux et rares.

Avantages de l'impression 3D métal

Pourquoi la fabrication additive métallique gagne-t-elle autant de terrain ? Comme vous le verrez dans la section suivante, différentes industries y trouvent différents aspects. En général, cependant, cette nouvelle méthode de production permet :

• utilisation efficace de l'énergie et des matériaux
• création à la demande d'une pièce sur le point d'utilisation
• chaînes d'approvisionnement raccourcies
• plus de liberté de conception
• Moins de configuration que pour tout autre type de fabrication (cela inclut une flexibilité accrue et moins de dépenses que plusieurs ensembles d'outils.)

Applications de fabrication additive métallique

L’impression 3D métal est devenue plus populaire sur les marchés où les délais sont courts et où de nombreux métaux coûteux sont utilisés pour fabriquer de petites pièces. Les entreprises de l’aérospatiale et de la défense ont été parmi les premières à adopter l’impression 3D métal, suivies de près par les industries médicale et dentaire. Ces industries ont d'abord adopté l'impression 3D métal car elle répond aux facteurs qui font que les pièces standard pour ces secteurs coûtent plus cher que dans d'autres secteurs.

Les pièces aérospatiales sont historiquement coûteuses pour plusieurs raisons, notamment la rareté des matériaux utilisés, la nécessité de délais de livraison courts et la précision supplémentaire requise pour garantir qu'elles fonctionnent conformément aux spécifications. Ils doivent également être aussi légers que possible. La fabrication additive métallique répond à tous ces facteurs de manière moins coûteuse que les processus de fabrication plus traditionnels. Une pièce métallique imprimée en 3D peut peser jusqu'à 70 % de moins qu'une pièce identique produite par d'autres méthodes. Étant donné qu’une imprimante utilise uniquement le matériau dont elle a besoin, le gaspillage de matériaux coûteux comme le titane et les alliages de nickel est réduit au minimum par rapport aux processus de fabrication soustractifs. Dans le même temps, les délais de livraison déjà serrés pour des produits tels que les turbines de moteurs à réaction sont réduits et une précision supplémentaire est possible avec moins d'effort (et donc de coût). De plus, les systèmes complexes dans l'aérospatiale peuvent être plus facilement repensés, simplifiés et testés grâce à l'impression 3D, car l'impression peut réduire le nombre de composants requis et accélérer le temps de création d'un système prototype complexe.

Les fabricants de produits médicaux et dentaires utilisent également l’impression 3D pour sa capacité à créer des pièces précises et légères dans des délais courts. Cependant, ces domaines doivent également atteindre un degré élevé de personnalisation à moindre coût, ce qui est nécessaire pour des produits tels que les articulations artificielles de la hanche et les implants dentaires.

De plus, les constructeurs automobiles ont recours dans une mesure limitée à la fabrication additive métallique pour les pièces haut de gamme. Comme dans l’aérospatiale et la défense, l’impression sur métal permet aux entreprises automobiles de repenser plus facilement leurs systèmes pour augmenter les performances. Il permet également de réduire le poids des composants métalliques pour améliorer le rendement énergétique et de créer des pièces de rechange spécialisées. Cependant, la plupart des pièces automobiles sont moins chères que les pièces aérospatiales ou médicales, et la fabrication additive n'a pas encore rattrapé la vitesse des autres processus, de sorte que l'impression 3D ne convient que dans certaines situations pour ces fabricants.

À l’avenir, des industries telles que l’exploitation minière, le pétrole et le gaz pourraient également adopter l’impression 3D métallique, car ce processus peut contribuer à la rapidité de livraison, un facteur essentiel pour ces domaines. Selon un rapport, 83 % des entreprises pétrolières et gazières envisagent d'adopter l'impression 3D ou la fabrication à la demande de pièces de rechange.

Exemples de fabrication additive métallique

Concrètement, à quoi cela ressemble-t-il ? Dans l’aérospatiale, la NASA et SpaceX ont eu recours à la fabrication additive métallique pour fabriquer des pièces de vaisseaux spatiaux. La NASA a utilisé cette technique pour créer une turbopompe de moteur-fusée contenant 45 % de pièces en moins. Dans le cas de SpaceX, des pièces imprimées en 3D ont été introduites dans la chambre de combustion du moteur de son vaisseau SuperDraco.

Il existe également des exemples de fabrication additive métallique dans le domaine médical. En 2016, la FDA avait approuvé les implants métalliques imprimés en 3D pour les procédures médicales, et ils ont été utilisés depuis non seulement dans les implants de hanche, mais aussi pour une cage thoracique artificielle personnalisée et un implant crânien. Xometry a aidé à construire de nouveaux prototypes de robots chirurgicaux grâce à son impression 3D et à d'autres services de fabrication, créant ainsi des pièces médicalement validées.

Il existe quelques exemples notables d'autres entreprises ayant adopté cette technologie ; Ford a récemment installé un robot autonome pour contrôler les imprimantes créant des pièces d'utilisation finale afin de pouvoir augmenter la production d'impression. Parallèlement, Volkswagen a mis en œuvre l'impression par jet de liant dans son usine siège en Allemagne. Plusieurs fournisseurs de pétrole et de gaz expérimentent ou mettent également en œuvre l'impression 3D métallique, notamment PGV, qui imprime des pièces telles que des plaquettes d'outils et des pistons suffisamment à la demande pour réduire les délais de livraison de 50 à 80 % et les stocks physiques de 50 %.

Inconvénients de la fabrication additive métallique

Pour s’imposer dans davantage d’industries, l’impression 3D métal devra encore surmonter certains obstacles. Les deux types d'impression sont limités en termes de nombre de pièces pouvant être imprimées simultanément par la taille de la plaque de construction. Pour DMLS, le post-traitement requis pour supprimer les structures de support prend du temps et ajoute des coûts. Le jet de liant n’a pas de structures de support, ce qui permet une production plus rapide en lots plus importants. Cependant, aucune des deux méthodes n’a encore atteint la vitesse et le rendement des processus de fabrication plus traditionnels comme l’estampage ou le forgeage. Pour cette raison, il est essentiel de choisir avec soin les pièces à produire en utilisant cette méthode afin de garantir qu'elle apporte un avantage économique.

Si l’impression 3D métal offre de nombreux avantages, sa mise en œuvre n’a de sens que dans certaines circonstances. Il est important de déterminer si votre entreprise bénéficiera de l'utilisation de ce processus de fabrication et, deuxièmement, si vous devez externaliser le processus ou le ramener en interne.

N'importe quelle entreprise peut commencer à utiliser des pièces imprimées en 3D, mais celles qui ne sont pas en mesure de réaliser un investissement initial dans l'équipement et les processus de support feront souvent appel à des fabricants d'additifs tiers pour fabriquer des pièces. Les entreprises qui souhaitent créer des installations de fabrication additive en interne devront prévoir des équipements et une formation supplémentaires pour les imprimantes DMLS (telles que le retrait de la structure de support et les procédures de sécurité DMLA) et les imprimantes à jet de liant (telles que la cuisson et le frittage ou l'infusion des pièces imprimées).

Pour déterminer si l'impression 3D en vaut la peine, demandez-vous :

• Quelles pièces que vous produisez actuellement bénéficieraient de l'impression 3D ?
• Quel sera l'avantage en termes de coûts ?
• Quel impact l'impression 3D aura-t-elle sur votre stratégie commerciale ?
• Quel impact ce processus aura-t-il sur vos chaînes d'approvisionnement ?
• De quelles considérations réglementaires devrez-vous tenir compte ?

Toute entreprise souhaitant commencer à utiliser la fabrication additive doit d’abord constituer une équipe pour discuter avec des personnes de différents départements afin que vous sachiez qui sont les parties prenantes et quelles pièces doivent être imprimées en 3D en premier. Si vous avez déterminé que votre entreprise peut aller de l'avant avec l'intégration de l'impression 3D, vous devez prendre d'autres décisions quant à savoir si vous devez faire appel à un fabricant d'impression 3D ou mettre en place ce processus dans votre propre entreprise.

Les entreprises qui investissent dans les coûts initiaux de l’impression 3D réaliseront des économies à long terme et auront plus de contrôle sur le processus. Même si un bon fabricant d’additifs assurera la protection de la propriété intellectuelle et la cybersécurité, ce contrôle supplémentaire pourrait intéresser les entreprises qui souhaitent éviter de partager des informations. Les entreprises qui souhaitent fabriquer en interne doivent se demander si leur production sera centralisée à partir d’un seul site ou distribuée à partir de plusieurs sites. De nombreuses entreprises qui décident d’adopter l’impression 3D en interne commenceront également par s’adresser à des fabricants d’additifs tiers pour obtenir des conseils sur ce qui est possible et transférer leurs connaissances à leurs propres employés avant de configurer leurs propres imprimantes. 

Les entreprises qui pourraient bénéficier davantage de l’externalisation permanente seront notamment celles qui ne disposent pas du budget nécessaire pour financer le coût initial d’achat et de mise en place de tout l’équipement et de la formation nécessaires. De plus, les entreprises qui souhaitent produire en faible volume ou qui souhaitent simplement expérimenter des séries de produits en courte durée en bénéficieront également. Enfin, si des pièces doivent être testées ou analysées, il peut être plus facile de travailler avec un fabricant d'additifs qui pourra le faire pour vous. Toute entreprise souhaitant externaliser l'impression 3D doit décider si les pièces imprimées en 3D proviennent d'OEM, de fournisseurs de niveau 1 ou d'autres.

Comment concevoir pour l'impression 3D en métal

Que vous conceviez de nouvelles pièces à imprimer en 3D ou que vous créiez des pièces que vous produisez déjà avec un processus de fabrication, il est essentiel de concevoir des pièces spécifiquement pour le processus d'impression au lieu de transférer des conceptions provenant d'autres processus. Sinon, les pièces imprimées coûteront au mieux plus cher et, au pire, ne fonctionneront pas aussi bien que les mêmes pièces fabriquées à l'aide d'autres procédés.

Nous couvrons plus de détails sur la conception pour l'impression 3D dans nos guides détaillés sur la conception par jet de liant métallique, la conception DMLS et la conception générale de l'impression 3D. Cependant, brièvement, il y a quelques points qu'il est important de retenir :

• L'épaisseur de paroi doit être d'au moins 0,7 mm (0,024 pouce) sur les éléments autoportants et d'au moins 1,2 mm (0,048 pouces) sur les éléments non soutenus ou porteurs. L'épaisseur des parois doit également rester uniforme.
• Conservez un espace d'au moins 0,5 mm (0,020 pouce) entre les éléments de la pièce.
• Éliminez les creux confinés dans la conception de la pièce, car c'est là que les matériaux piégés ou les structures de support peuvent rester et bloquer les matériaux qui doivent sortir pendant le post-traitement.
• Coins arrondis pour réduire les points de contrainte et augmenter les performances de la pièce tout au long de sa durée de vie.
• Soyez prudent avec les porte-à-faux, car ils sont délicats sur les pièces imprimées en 3D, en particulier sur les pièces grandes et lourdes.

Service d'impression 3D métal de Xometry

Avec des développements dans l'impression sur métal allant des nouvelles imprimantes aux matériaux en passant par les logiciels, ce domaine offre des opportunités passionnantes pour les chaînes de production et d'approvisionnement, quelle que soit la taille de l'entreprise. Cependant, il est essentiel de garantir que ce processus est appliqué aux problèmes que les autres méthodes de fabrication ne peuvent pas résoudre. Si vous considérez la fabrication additive métallique comme une solution pour votre entreprise, nous pouvons vous aider. Consultez notre page de capacités sur l'impression 3D métal pour voir comment nous pouvons vous aider, ou passez directement à notre page de devis instantané pour obtenir des suggestions améliorées par l'IA sur la meilleure façon de créer vos produits. Une fois que vous aurez soumis votre dossier et vos exigences, vous recevrez un devis et un délai de livraison dans la minute. 

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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