Impression 3D métal : surmonter les défis clés et exploiter les solutions émergentes

L'impression 3D métal n'est pas sans défis pratiques ni opportunités. Comprenez où se situent les obstacles et comment les surmonter. Découvrez aussi les technologies émergentes qui pourraient réorienter le marché.

L'avenir est déjà là dans l'impression 3D métal — et son coût d'entrée pourrait créer des vents contraires. Les géants de la fabrication y sont fortement engagés — et ils pourraient avoir besoin de l'aide de petits ateliers spécialisés. Qu'est-ce qu'il faut pour adopter la 3D et le métal ensemble ? Adopter de nouvelles approches d'ingénierie et s'habituer à de nouveaux matériaux comme les poudres métalliques, pour commencer.

SpaceX fabrique des pièces clés avec cette technologie. NASA, Boeing, Lockheed Martin et GE Aviation aussi. Ces fabricants et d'autres impriment en 3D des pièces métalliques pour les avions qui nous transportent de ville en ville, les vaisseaux spatiaux qui amènent les astronautes en orbite basse et les fusées qui envoient des Tesla Roadster rouges vers la ceinture d'astéroïdes. Les entreprises médicales s'y mettent également avec des implants 3D pour prothèses de hanche et plaques de réparation crânienne pour victimes d'accidents. L'automobile et les biens de consommation suivent le mouvement.

Si vous êtes sous-traitant pour l'un de ces grands groupes aérospatiaux, vous connaissez déjà les défis de cette technologie complexe. Bien qu'elle ne remplacera pas l'usinage traditionnel ni de nombreux procédés CNC de notre vivant, elle modifie le paysage des options manufacturières disponibles.

Regardons les chiffres : le cabinet IDTechEx prévoit que l'impression 3D métal atteindra 12 milliards de dollars d'ici 2028 — contre environ 2,5 milliards en 2018. Une étude EY de 2016 a révélé que 52 % des entreprises interrogées choisissent le métal en impression 3D plutôt que tout autre matériau. Le polymère, deuxième, ne recueille que 31 % de la demande — avec 6 % pour la céramique.

« Les entreprises le choisissent [le métal] car il permet d'imprimer des pièces en métaux précieux, titane, aciers à outils, aciers inoxydables et alliages d'aluminium », indique le rapport EY. « Parmi les entreprises utilisant déjà l'impression 3D métal, deux secteurs dominent : l'aérospatial et l'automobile. 65 % de ces entreprises utilisent l'impression 3D métal ; ce ratio élevé s'explique par le grand nombre de composants métalliques dans leurs produits. »

Préparez-vous à attendre et à nettoyer les pièces imprimées en 3D métal

Avant de vous lancer dans l'impression 3D, préparez-vous. Cela peut sembler évident, mais fabriquer des pièces ainsi n'a rien à voir avec l'usinage d'un bloc d'aluminium ou le tournage d'un arbre en cobalt-chrome. L'outil est un laser, le matériau une pile de poudre métallique et le dispositif de maintien une plaque métallique plane. Chargez le programme, lancez le cycle — et des heures ou des jours plus tard, votre pièce est prête. Presque.

Voici le hic : non seulement les vitesses de construction en impression 3D métal sont glaciales comparées à l'usinage, mais les pièces ne sont pas nécessairement terminées à la sortie de la machine, ni parfaitement précises. Qu'on l'appelle frittage laser direct sur lit de poudre, fusion par faisceau d'électrons ou fusion laser sélective, les tolérances typiques par fusion sur lit de poudre sont d'environ ±0,005 pouce avec une finition de surface comparable à une fonderie de précision (environ 125 Ra au mieux). Cela signifie qu'un usinage est généralement nécessaire pour reprendre les surfaces critiques, aléser les trous, faire les filetages, etc.

De plus, la fusion sur lit de poudre nécessite des structures de support type échafaudage pour maintenir la pièce pendant le processus. Cela implique meulage, grenaillage et usinage supplémentaire pour retirer ces supports.

Vous voulez une base plus fondamentale sur le pourquoi et le comment de l'impact de la 3D ? Consultez « Le cas pour l'impression 3D dans la fabrication. »

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C'est chaud : le stress thermique dans l'impression 3D métal

Il y a aussi le stress thermique à considérer. Lasers et faisceaux d'électrons chauffent des particules de titane, aluminium, acier inoxydable, cobalt-chrome, aciers à outils et des dizaines d'autres alliages jusqu'à leur point de fusion, qui peut dépasser 2 700 °C. Une fois chaque couche terminée, de la poudre fraîche est ajoutée et le processus recommence. On imagine aisément que ce chauffage et refroidissement répétés créent un stress considérable qui doit être contrôlé pendant la construction, puis traité par recuit après fabrication.

C'est beaucoup à gérer. En outre, ceux qui poursuivent une stratégie d'impression 3D doivent examiner la scalabilité, la modélisation, la stratification et la simulation.

Scalabilité

Jusqu'à récemment, la plus grande imprimante 3D métal pouvait à peine imprimer un grille-pain. Aujourd'hui, des machines commerciales peuvent construire des pièces de la taille d'un canoë et déposer 9 kg de métal par heure. Quelle taille de machine faut-il, quelle technologie est la meilleure et quel est votre budget ? Comptez 1 million de dollars ou plus, sans compter la courbe d'apprentissage.

Modélisation

L'un des plus grands obstacles pour les fabricants additifs est la conception des pièces. Les ingénieurs doivent apprendre à penser différemment pour réussir avec cette technologie — ce qui signifie adopter des géométries complexes et des « formes organiques » auparavant impossibles à fabriquer. Bien sûr, ce sont les machinistes et ingénieurs de fabrication qui doivent trouver comment fixer ces pièces aux formes étranges qui arrivent chez eux.

Stratification

Une fois le design validé, le programmeur ou l'opérateur de l'imprimante 3D doit concevoir les structures de support et déterminer la meilleure façon de positionner et construire la pièce. La bonne nouvelle, c qu'il existe de nombreux logiciels conçus pour cela — et cette tâche n'est plus aussi difficile qu'avant.

Simulation

Le lit est rempli de poudre, la plaque de construction est propre et le métal est prêt à fondre. Mais avant d'appuyer sur le bouton, il est important d'évaluer le processus de construction par simulation logicielle. Cela permet d'identifier les zones où le stress thermique pourrait apparaître, de détecter où les supports sont nécessaires (ou superflus) et de confirmer si le design existant convient à l'impression 3D.

L'impression 3D métal rencontre son nouvel allié : le polymère

Dans le monde de l'impression 3D métal, la fusion sur lit de poudre règne en maître — pour l'instant. Plusieurs nouvelles technologies empiètent sur ce territoire, notamment les approches par projection thermique et extrusion promettant des coûts inférieurs (autour de 120 000 $ contre 500 000 $ et plus), une meilleure précision et des vitesses de construction bien plus rapides. L'une d'elles fonctionne comme une imprimante à jet d'encre, sauf que l'« encre » est composée de poudre métallique mélangée à un liant polymère.

La pièce est construite à l'état « vert » avant d'être placée dans un four pour le frittage, un processus un peu différent du moulage par injection de métal (MIM) vieux de plusieurs décennies. Comme elle utilise la même poudre métallique, elle ne fait pas l'objet d'autant de scrutins métallurgiques que les autres poudres additives. Et comme toutes les technologies d'impression 3D métal, elle produit des pièces à densité pleine.

Similaire à la technologie « binder-jet » utilisée dans certaines imprimantes polymères récentes, les vitesses de construction seraient 10 à 100 fois plus rapides que la concurrence. Les coûts des machines sont une fraction de ceux des machines à lit de poudre ou hybrides. Les structures de support sont peu nécessaires, et celles utilisées se retirent facilement après frittage. Et comme il n'y a pas de laser — seulement de l'UV pour polymériser le liant — et que le métal est fourni en cartouches adaptées à l'imprimante, familières à tout employé de bureau, les préoccupations en matière de santé et sécurité sont bien moindres.

« L'adoption de l'impression 3D métal pour la fabrication de pièces finales est une étape que certaines entreprises d'usinage ont franchie, mais ce n'était pas à la portée de tous les ateliers », note Peter Zelinski, rédacteur en chef de Modern Machine Shop, dans l'article « L'arrivée de l'AM métal à bas coût ? » « Aujourd'hui, l'impression 3D métal à bas coût pourrait signifier que les ateliers utiliseront routinièrement à la fois des méthodes additives et soustractives pour les pièces métalliques. Et cela pourrait aussi signifier que la gamme de pièces métalliques adaptées à l'additif est sur le point de s'élargir. »

Avez-vous eu une expérience avec l'impression 3D métal ou d'autres procédés de fabrication additive ? Qu'en a-t-il été pour vous et votre atelier ?