Fabrication additive métal : Points clés pour la production moderne

La fabrication additive a transformé l'industrie manufacturière depuis son apparition commerciale à la fin du 20e siècle. Alors que les procédés additifs continuent de révolutionner l'industrie, la fabrication additive métal (FAM) et ses nombreuses applications passent au premier plan de la fabrication pour la production.

Portée par le lancement de nouvelles machines de FAM avec des plateformes de matériaux ouvertes et des vitesses d'impression plus rapides, les ventes de systèmes de FAM sont en plein essor, le segment devant créer une opportunité de revenus de près de 4 milliards d'ici 2024. Alors que les avancées dans la fabrication additive métal se poursuivent, il est important d'être conscient des avantages de la FAM et de la façon dont les nombreuses applications du procédé changent le visage de la fabrication.

Liens rapides :

• Histoire de la fabrication additive métal
• Procédés de fabrication additive métal / impression 3D
• Techniques de fabrication additive métal
• Avantages de la technologie FAM
• Profitez de la fabrication additive dans votre installation californienne avec le CMTC

Histoire de la fabrication additive métal

Le processus de fabrication additive remonte au milieu des années 1980, alors que des méthodes de développement de produits plus rapides étaient introduites. À l'origine appelée prototypage rapide, cette méthode était capable de produire des modèles dimensionnels pour créer des prototypes plus rapides afin de tester l'ajustement et la fonction du modèle.

En 1987, une nouvelle technique de traitement du plastique connue sous le nom de Stéréolithographie (SLA) a été commercialisée, devenant le premier brevet en fabrication additive. Avec la SLA, les fabricants pouvaient solidifier des polymères liquides sensibles aux UV avec un laser, produisant des modèles 3-D plus rapidement que jamais. Cette étape importante dans les processus additifs offrait aux fabricants, ingénieurs et concepteurs de nouvelles opportunités pour créer des produits plus efficacement qu'auparavant.

Au début des années 1990, d'autres procédés de fabrication additive à base de polymères sont devenus commercialement disponibles. En 1992, le Frittage Sélectif par Laser (SLS), qui fusionne des matériaux en poudre en un solide à l'aide d'un laser, est devenu disponible. Peu de temps après, la fabrication additive métal a été brevetée et mise sur le marché. Comme les autres procédés de fabrication additive, cette technologie a permis la production rapide de prototypes, produits et outils en métal. Bien que l'introduction des procédés de fabrication additive métal ait permis la fabrication de pièces métalliques par frittage de la poudre métallique choisie, le résultat final était des matériaux plus comparables à des composites qu'à des alliages, puisque des matériaux à bas points de fusion pouvaient désormais être combinés avec des métaux à haute résistance, comme l'acier inoxydable.

Fabrication additive métal & Procédés d'impression 3D

Le processus de fabrication additive crée des objets en ajoutant du matériau couche par couche, qu'il s'agisse de métal, de plastique ou de céramique. La fabrication additive peut augmenter, et dans certains cas, remplacer les méthodes traditionnelles de création d'objets par usinage, découpe, tournage, façonnage, fraisage et autres procédés « soustractifs ».

Pour fabriquer un objet en utilisant la fabrication additive, une conception est créée à l'aide d'un logiciel CAO (Conception Assistée par Ordinateur) ou en numérisant l'objet qui sera imprimé. Le logiciel peut traduire la numérisation en un cadre précis pour que la machine d'impression 3D le suive couche par couche.

La fabrication additive métal, également connue sous le nom d'impression 3D métal, applique le processus de fabrication additive exclusivement aux métaux. En superposant des poudres métalliques, soit avec une source d'énergie, soit avec un agent liant, des objets précis peuvent être conçus et construits. Grâce aux avancées des machines de fabrication additive, des objets qui n'auraient jamais pu être créés il y a quelques années peuvent maintenant être fabriqués avec de nouvelles résistances et normes en utilisant une variété de matériaux.

La large gamme de poudres métalliques disponibles pour les techniques de fabrication additive ne cesse de s'étendre. Certains des matériaux métalliques les plus courants incluent les nuances d'acier inoxydable, le nickel, le cobalt-chrome, les alliages de titane et l'aluminium. Cette gamme toujours croissante de matériaux de construction permet au fabricant de choisir le bon matériau pour les spécifications et attentes exactes de l'objet.

Techniques de fabrication additive métal

Les méthodes de fabrication additive métal peuvent être classées selon le procédé utilisé pour joindre le métal, qui inclut un liant, une buse chauffée ou des lasers. Voici certaines des techniques de fabrication additive métal les plus courantes. Selon la technique employée, la pièce imprimée résultante peut être de forme nette ou quasi-nette.

Fusion sur lit de poudre par laser

Les méthodes de fusion sur lit de poudre (PBF) utilisent un laser ou un faisceau d'électrons pour fondre et fusionner la poudre métallique en un solide. Cette technique inclut les méthodes de fabrication additive métal suivantes : fusion par faisceau d'électrons (EBM), frittage laser direct de métal (DMLS), frittage sélectif par chaleur (SHS) et fusion laser sélective (SLM). Le frittage sélectif par laser (SLS) est une technique supplémentaire qui utilise un laser comme source d'énergie pour fritter des matériaux en poudre, bien que les polymères, plutôt que les métaux, soient couramment utilisés en SLS.

Quelle que soit la méthode, toutes les techniques de lit de poudre à base de laser nécessitent l'étalement de la poudre métallique sur les couches précédentes, que ce soit par un rouleau ou une lame. Les métaux les plus couramment employés dans ce processus additif sont l'acier inoxydable, le titane, l'aluminium, l'acier, le cobalt-chrome et le cuivre.

Jet de liant métal

Cette méthode de fabrication additive métal est similaire à celle d'une imprimante à jet d'encre bidimensionnelle. Des poudres métalliques sont projetées sur une plateforme de construction pour imprimer des objets en utilisant soit une approche continue, soit une approche à la demande (DOD). Un liant liquide est appliqué pour combiner la poudre couche par couche, construisant l'objet souhaité. Les pièces fraîchement imprimées sont initialement fragiles et nécessitent un post-traitement de frittage et d'infiltration pour être renforcées. Le résultat final peut passer par un processus de finition optionnel où la pièce est soit polie, soit plaquée au nickel ou à l'or.

L'un des avantages uniques du jet de liant est l'élimination de toute fusion de poudres métalliques, ce qui peut entraîner une accumulation de contraintes résiduelles. C'est aussi l'une des techniques de fabrication additive métal les moins coûteuses.

Laminage de feuilles

Cette méthode joint des feuilles de matériau ensemble couche par couche par collage, soudage ultrasonique ou brasage pour construire un objet. Les méthodes de laminage de feuilles sont des procédés à basse température et peuvent lier différents matériaux ensemble. Généralement, les méthodes de laminage de feuilles sont destinées à des modèles visuels et esthétiques plutôt qu'à un usage structurel.

Dépôt d'énergie dirigé

Un processus d'impression 3D plus complexe, cette méthode fonctionne comme son nom l'indique — une source d'énergie focalisée, telle qu'un laser ou un faisceau d'électrons, est dirigée vers le matériau de construction pour le faire fondre pendant qu'il est simultanément déposé couche par couche. Cette technique est couramment utilisée pour réparer ou ajouter du matériau à des structures existantes. Le Dépôt d'Énergie Dirigé (DED) utilise une buse chauffée pour déposer du matériau fondu — généralement du titane ou du cobalt-chrome — sur la surface spécifiée où il se solidifie.

Avantages de la technologie FAM

Au cours des dernières décennies de son existence, les technologies de fabrication additive ont eu un impact révolutionnaire sur le secteur manufacturier dans son ensemble. Cette capacité à fusionner des assemblages — imprimer une pièce en une seule unité au lieu de plusieurs pièces qui doivent être jointes ou fixées — réduit le gaspillage de matériaux et améliore généralement la qualité et la performance globales du produit. Outre cet avantage d'économie de déchets, les méthodes de FAM offrent des avantages uniques qui incluent :

La complexité est « gratuite »

Lorsqu'on utilise des procédés de fabrication soustractive traditionnels, une complexité accrue dans la conception d'une pièce entraîne des coûts de plus en plus élevés, car de plus en plus d'opérations de fraisage, de contouring et de finition soustractives sont nécessaires. Avec l'Additif, la complexité d'une conception ajoute peu de coûts et réduit souvent le coût de la pièce. Par exemple, si la pièce est une pièce prismatique — un bloc rectangulaire solide — le fraisage à partir d'un bloc quasi-net est simple et nécessite peu de passages sur la fraiseuse, donc un faible coût. Imprimer le bloc avec l'Additif nécessiterait de nombreux passages sur la machine pour déposer la quantité de matériau requise pour construire la forme, résultant en un coût beaucoup plus élevé. Cependant, si la pièce est une forme organique — pensez à une entretoise qui ressemble à une structure de racine d'arbre — le fraisage nécessitera probablement des dispositifs de maintien personnalisés et de nombreux passages machine, souvent avec plusieurs changements d'outils et un codage de trajectoire d'outil extensif, tous menant à un coût élevé. Pour imprimer la forme organique avec l'Additif, la trajectoire d'outil est créée automatiquement par logiciel et le nombre de passages et la quantité de matériau déposé sont grandement réduits, résultant en un coût inférieur pour cette pièce.

Élimination des coûts supplémentaires

Les procédés additifs métal réduisent le gaspillage de matériaux par rapport aux méthodes traditionnelles. Puisque la matière première est construite précisément couche par couche, il y a peu de besoin de soustraire ou de racler des morceaux de l'objet solide. Seul le matériau nécessaire est utilisé et placé exactement là où il est nécessaire, rendant les technologies de FAM efficientes en ressources.

De plus, la fabrication additive métal réduit les déchets en éliminant le besoin d'outillages coûteux, faisant économiser à votre entreprise argent et temps. En choisissant le bon procédé de fabrication additive métal, vous pouvez accéder à une grande variété de matériaux pour répondre à vos besoins de production spécifiques.

Une large gamme de matériaux

Les propriétés et la performance globale d'un matériau sont déterminées par sa composition chimique, son état cristallin et son architecture micro-sous-jacente. Ces caractéristiques forcent les ingénieurs à accepter certains compromis lors du choix d'un matériau pour une application spécifique. Cependant, cette concession pourrait bientôt être une chose du passé grâce aux avancées de la technologie d'impression 3D.

Alors qu'auparavant les fabricants étaient limités aux matériaux utilisés en FAM, il existe une variété de plus en plus grande de poudres métalliques pouvant être utilisées. Certains des matériaux métalliques les plus courants disponibles incluent :

• Acier inoxydable
• Acier
• Titane
• Aluminium
• Cuivre
• Cobalt Chrome
• Alliages de titane
• Alliages de nickel
• Or
• Argent
• Platine
• Palladium

Au fur et à mesure des avancées en fabrication additive, la liste des poudres métalliques capables d'être utilisées continuera de s'étendre.

Amélioration des capacités de conception et optimisation topologique

Avec la fabrication additive métal, des structures uniques et complexes peuvent être créées qui auraient autrement pris du temps et des pièces supplémentaires. En fusionnant les assemblages, les objets peuvent maintenant être produits en une seule unité pour une plus grande résistance et efficacité au lieu de plusieurs pièces qui doivent être jointes ou fixées après production.

De plus, les avancées récentes en conception automatisée ont permis la production de produits pour une multitude d'applications. Le logiciel d'optimisation topologique permet aux concepteurs de spécifier les paramètres d'une pièce et de laisser le logiciel définir son architecture en fonction des propriétés structurelles, fonctionnelles, thermiques ou autres souhaitées. Les résultats finaux sont des conceptions qui peuvent être rendues plus solides, plus légères, plus résistantes et plus résistantes aux forces naturelles et conditions externes.

Réduction du temps de production

L'un des avantages bien connus de la fabrication additive métal est la réduction du temps nécessaire pour que les produits passent de l'étape de conception à la production finale par rapport à l'usinage traditionnel. Comme il y a peu de besoin d'usinage et d'outils spécifiques pour traiter l'objet après l'impression 3D, la FAM peut créer des pièces en quelques jours au lieu de semaines.

Profitez de la fabrication additive dans votre installation californienne avec le CMTC

La fabrication additive métal ressemble-t-elle à une technologie qui pourrait être exploitée par votre entreprise manufacturière ? Comme toute nouvelle technologie, il y a toujours une courbe d'apprentissage. C'est pourquoi dans notre guide « Types de procédés de fabrication additive métal », nous plongeons dans le fonctionnement interne de tous les processus mentionnés ci-dessus, les matériaux utilisés, et les avantages et inconvénients de chacun.

Restez informé et suivez les autres dans l'industrie en téléchargeant le guide gratuit dès aujourd'hui. En attendant, si vous avez des questions supplémentaires sur la fabrication additive, n'hésitez pas à contacter les experts du CMTC. Nous sommes là et heureux de vous aider !