Comprendre les sept types de fabrication additive

La fabrication additive (AM), également connue sous le nom d'impression 3D, construit des pièces à l'aide d'un modèle 3D généré par CAO en ajoutant des couches uniques de matériau et en fusionnant les couches ensemble. La FA est apparue pour la première fois en 1987 et n'a cessé de croître depuis, avec plus de sauts et de limites ces dernières années. Au fur et à mesure que les entreprises inventent et introduisent de nouvelles techniques de FA, elles ont tendance à créer des termes marketing uniques pour leur processus, même si les techniques de base sont similaires. Avoir des noms différents pour des méthodes similaires peut facilement prêter à confusion sur le marché. Dans cet article, nous identifierons les techniques de base et leurs avantages et inconvénients.

Selon les normes ISO/ASTM, AM divise les techniques utilisées pour créer les couches en sept catégories, dont les quatre premières de la liste conviennent aux métaux.

1. Jet de liant
2. Dépôt d'énergie dirigée
3. Fusion sur lit de poudre
4. Laminage de feuilles
5. Extrusion de matériaux
6. Jet de matière
7. Photopolymérisation en cuve

1. Jet de liant

Unique en AM en ce sens qu'il n'utilise pas de chaleur pendant le processus de fusion des matériaux. Un liquide de liaison ou un liant est sélectivement déposé, qui relie le matériau en poudre pour former la pièce 3D. Selon le type de poudre, le système utilisé ou les exigences d'application du client déterminent le choix du type de liant. Le processus commence par l'étalement du matériau en poudre sur la plate-forme de construction à l'aide d'un rouleau et la tête d'impression dépose le liant sur la poudre aux endroits spécifiés. La plate-forme de construction s'abaisse pour permettre la couche suivante, et le processus se répète jusqu'à ce que l'élément soit terminé. Toute poudre non liée est supprimée.

Avantages du jet de liant

• Capacité à fabriquer des pièces avec une gamme de couleurs différentes
• Utilise une gamme de matériaux :métal, polymères et céramique
• Processus AM plus rapide
• Pas de déformation ou de rétrécissement des pièces
• Moins de déchets en réutilisant toute poudre inutilisée
• Dispose d'une méthode à deux matériaux qui permet différentes combinaisons liant-poudre

Inconvénients du jet de liant

• Les pièces nécessitent un post-traitement, ce qui ajoute un temps considérable au processus global
• Faible résistance des pièces, pas toujours adapté aux pièces structurelles
• Moins précis que le jet de matière

2. Dépôt d'énergie dirigée (DED)

DED crée Objets 3D en faisant fondre et en déposant des matériaux à base de poudre ou de fil à partir d'une source d'énergie thermique focalisée, y compris un laser, un faisceau d'électrons ou un arc plasma. Bien que le processus puisse fabriquer des pièces en métal, en céramique et en polymère, il est principalement utilisé pour les pièces métalliques et dans une fabrication plus hybride où le lit de substrat est mobile pour créer des formes complexes. Le DED est également appelé dépôt de métal par laser (LMD), revêtement laser 3D ou fabrication à lumière directe en raison des différentes utilisations des sources d'énergie et de l'utilisation finale. Enfin, selon le fonctionnement du processus, il est principalement utilisé pour réparer ou reconditionner des pièces existantes en ajoutant de la matière si nécessaire.

Avantages du DED

• Parties solides et denses
• Taux de création rapides
• Réduction des déchets de matériaux
• Gamme de choix de matériaux :métal, céramique et polymère
• Les matériaux se changent facilement
• Capacité à fabriquer des pièces avec des alliages personnalisés
• Pièces construites pour se rapprocher de la forme nette
• Capacité à fabriquer des pièces plus grandes

Inconvénients du DED

• Le coût d'investissement des systèmes est élevé
• Les pièces ont une résolution inférieure, ce qui entraîne une finition de surface plus médiocre, nécessitant un traitement secondaire
• Les structures de support ne sont pas utilisables pendant le processus de construction

3. Fusion sur lit de poudre (PBF)

Le PBF a quatre catégories de sources d'énergie, fusionnées par laser, fusionnées par faisceau d'électrons, fusionnées avec un agent et de l'énergie et fusionnées thermiquement. La source d'énergie fait fondre des particules de poudre de plastique ou de métal, qui se solidifient et fusionnent en un motif pour fabriquer l'objet. Le processus de fusion sur lit de poudre utilise deux chambres, la chambre de construction et la chambre de poudre, et un rouleau de revêtement. Pour créer les objets, le rouleau de revêtement se déplace et étale le matériau en poudre à travers la chambre de construction pour déposer une fine couche de poudre. Certains processus PDF utilisent un grattoir, une lame ou un rouleau de nivellement après le rouleau de revêtement pour garantir que l'épaisseur de la couche supérieure du matériau est uniforme. Ensuite, la source d'énergie fait fondre la couche supérieure déposée de la base de poudre métallique. Lorsque cette couche a été numérisée et fusionnée, la plate-forme de construction est progressivement abaissée, simultanément la chambre à poudre est soulevée par la même, et le processus se répète jusqu'à ce que l'objet soit terminé.

Avantages du FBP

• Faible coût des machines
• Pas ou minimum de structures de support nécessaires pour la construction
• Variété de choix de matériaux
• Plusieurs matériaux peuvent être utilisés
• Capable de recycler la poudre

Inconvénients du FBP

• Temps d'impression lent et long
• Temps de post-traitement supplémentaire
• Propriétés structurelles plus faibles
• Variations de la qualité de la texture de surface
• Une plaque de construction de support peut être nécessaire pour éviter le gauchissement
• La vitesse du processus d'impression peut déterminer si la poudre est recyclable
• Déformation thermique, principalement pour les pièces en polymère
• Les machines consomment beaucoup d'énergie pour créer des pièces

4. Laminage de feuilles

AM qui construit des objets 3D en empilant et en laminant de fines feuilles de matériau par collage, soudage par ultrasons ou brasage. Pour créer la forme finale de l'objet, une découpe au laser ou un usinage CNC est utilisé. De toutes les technologies de fabrication additive, celle-ci produit des pièces avec la résolution ou la quantité de détails les moins additives, mais offre un temps de fabrication à faible coût et plus rapide pour un prototypage rapide à l'aide de matériaux facilement disponibles et peu coûteux.

La stratification des feuilles peut être classée en sept types :

• Fabrication d'objets laminés (LOM)
• Fabrication d'objets composites par stratification sélective (SLCOM)
• Laminage de feuilles de plastique (PSL)
• Fabrication assistée par ordinateur de matériaux d'ingénierie laminés (CAM-LEM)
• Laminage par dépôt sélectif (SDL)
• Fabrication additive à base de composites (CBAM)
• Fabrication additive par ultrasons (UAM)

Bien que les types de laminage des feuilles diffèrent légèrement, le principe général est le même. Le processus commence par une fine feuille de matériau alimentée par le rouleau ou placée sur la plate-forme de fabrication. La couche suivante peut ou non être collée à la feuille précédente, selon le procédé. La superposition se poursuit jusqu'à ce qu'elle atteigne toute la hauteur. La suppression du bloc d'impression et de tous les bords extérieurs indésirables complète l'objet.

Avantages du laminage de feuilles

• Coût relativement faible
• Espace de travail plus grand
• Impressions en couleur
• S'intègre en tant que systèmes de fabrication hybrides
• Facilité de manipulation des matériaux
• Possibilité de superposer plusieurs matériaux
• Aucune structure de support nécessaire
• Dans certaines feuilles de laminage
• Selon le type de technique utilisé, l'état du matériau reste inchangé
• Temps d'impression plus rapide, mais nécessite un post-traitement

Inconvénients du laminage de feuilles

• La hauteur de la couche ne peut pas être modifiée sans modifier l'épaisseur de la feuille
• Les finitions peuvent varier en fonction du matériau et peuvent nécessiter un post-traitement
• Options matérielles limitées disponibles
• L'élimination de l'excédent de matériau après la phase de laminage peut être difficile et prendre du temps
• Peut générer plus de déchets par rapport aux autres méthodes de FA
• Les pièces creuses sont difficiles à produire dans certains types de laminage de feuilles
• La force de liaison dépend de la technique de stratification utilisée

5. Extrusion de matériaux

Le processus AM le plus populaire en termes de disponibilité pour la demande générale des consommateurs et de qualité, utilise un filament continu de matériau thermoplastique ou composite pour construire des pièces 3D. Le matériau sous forme de filament en plastique passe par une buse d'extrusion, où il chauffe puis se dépose couche par couche sur la plate-forme de construction.

Avantages de l'extrusion de matériaux

• Large sélection de documents imprimés
• Technique d'impression facilement compréhensible
• Méthode conviviale de changement de matériel d'impression
• Faibles coûts initiaux et de fonctionnement
• Temps d'impression plus rapide pour les pièces petites et fines
• Tolérance d'impression de +/- 0,1 (+/- 0,005″)
• Aucune supervision requise
• Petite taille d'équipement
• Procédé à basse température

Inconvénients de l'extrusion de matériaux

• Lignes de calque visibles
• Tête d'extrusion en mouvement continu ou le matériau se cogne
• Des supports peuvent être nécessaires
• Résistance faible de la pièce le long de l'axe Z
• Augmentation du temps d'impression avec une résolution plus fine et des zones plus larges
• Susceptible de se déformer et d'autres problèmes de fluctuation de température
• Matériaux d'impression toxiques

6. Jet de matière

Un processus où des gouttelettes de matériaux ressemblant à de la cire sont déposées de manière sélective sur une plate-forme de construction. Le matériau se refroidit et se solidifie, permettant aux couches de matériaux d'être placées les unes sur les autres. Après la construction, les structures de support sont soit retirées mécaniquement, soit fondues.

Avantages du jet de matière

• Le jet de matière peut atteindre une précision et des finitions de surface exceptionnelles
• Les pièces sont bonnes pour une utilisation dans les modèles de coulée

Inconvénients du jet de matière

• Nombre limité de matériaux cireux disponibles
• Les pièces sont fragiles à cause des matériaux ressemblant à de la cire
• Processus de compilation lent

7. Photopolymérisation en cuve

Le processus utilisé pour durcir la résine liquide photopolymère dans une cuve couche par couche, en la transformant en pièces en plastique dur à l'aide d'un laser ultraviolet (UV). Les trois types les plus courants de cette technologie sont la stéréolithographie, le traitement numérique de la lumière (DLP) et le traitement numérique continu de la lumière (CDLP).

Avantages de la photopolymérisation en cuve

• Haut niveau de précision et bonne finition
• Processus relativement rapide
• Grandes zones de construction

Inconvénients de la photopolymérisation en cuve

• Relativement cher
• Longue durée de post-traitement et retrait de la résine
• Limité aux matériaux photo-résines
• Peut encore être affecté par la lumière UV après l'impression
• Peut nécessiter des structures de support et une post-durcissement pour que les pièces soient suffisamment solides pour une utilisation structurelle

Conclusion

Alors que les machines de fabrication additive deviennent plus abordables pour les ateliers d'usinage, la flexibilité de la conception et des propriétés des matériaux se traduit par une large gamme d'applications et d'utilisations pratiques. Les industries aérospatiale, automobile et médicale voient toutes les avantages de la fabrication additive. Le prototypage rapide, la production à faible volume et la capacité à réparer les pièces sont quelques-unes des raisons de la croissance de ce type de fabrication.