Impression métal laser : points clés pour la fabrication de pièces de précision

La fabrication de pièces de précision est-elle prête pour l'impression 3D métal ?

L'impression 3D additive laser de métal fait fréquemment l'actualité. On peut se demander : quand Metal Cutting Corporation parlera-t-elle d'impression laser ? Après tout, nous abordons souvent diverses autres méthodes de fabrication de pièces métalliques.

Chez Metal Cutting, nous produisons des pièces très petites, par exemple de dimensions 1 mm (0,039 pouce) sur 2 mm (0,079 pouce), et nous en produisons BEAUCOUP. Ces pièces n'ont généralement pas de caractéristiques complexes ou de vides intérieurs. Ce peuvent être des tubes ou des pièces pleines.

Notre question aux experts de l'impression 3D laser métal est donc : peut-on utiliser l'impression 3D laser métal pour de telles quantités importantes de pièces aussi petites ?

Méthodes de base de l'impression 3D laser métal

Examinons rapidement les trois méthodes principales d'impression additive laser 3D de métal.

Frittage laser direct de métal (DMLS)

Cette méthode la plus populaire consiste essentiellement à fondre un dessin 2D sur un lit de poudre aplani, fusionnant la poudre avant d'ajouter couche par couche pour construire l'objet. Le DMLS permet des conceptions jusqu'alors impossibles. Cependant, le procédé est très lent et produit une métallurgie qui s'approche mais n'égale pas toujours la fabrication traditionnelle. Le DMLS est aussi connu sous les noms de frittage laser sélectif (SLS) ou fusion laser sélective (SLM).

Dépôt d'énergie dirigée (DED)

Dans cette méthode à poudre alimentée, un flux de poudre métallique hautement concentré est lentement libéré par un extrudeur et fusionné au contact d'un laser, formant des couches à la surface de la pièce. Le DED est très précis pour l'impression 3D laser métal et sert aussi à réparer des pièces cassées. Cette méthode est connue sous le nom de dépôt laser de métal (LMD).

Jet de liant métallique (Metal Binder Jetting)

Cette méthode consiste à appliquer une résine liante liquide sur une poudre métallique. Les couches sont, en quelque sorte, « collées » ensemble puis frittées dans un four haute température. Ce procédé est plus rapide et moins coûteux que les deux précédents ; toutefois, les résultats sont loin d'être aussi résistants ou denses que ceux obtenus par DMLS ou DED.

Quelques applications de l'impression laser métal

L'impression laser métal est devenue populaire pour de nombreuses applications, allant du prototypage aux composants fonctionnels dans diverses industries, jusqu'à la production personnalisée en série d'objets du quotidien comme les bijoux et l'ustensile de cuisine.

Elle est très prisée pour les implants dentaires et orthopédiques, permettant une personnalisation selon les besoins individuels des patients. (Voir notre article « Polissage de pièces métalliques pour dispositifs médicaux imprimés 3D ».) L'impression laser métal est également largement utilisée dans l'aérospatiale. Par exemple, le moteur LEAP de nouvelle génération comporte des injecteurs de carburant imprimés en 3D.

Erreurs fréquentes

On fait souvent de fausses suppositions sur l'impression 3D laser métal. Il faut le noter : ce n'est pas parce qu'un produit est conçu par modélisation CAO 3D qu'il est « prêt pour l'impression 3D » ; les procédés d'impression 3D laser requièrent un post-traitement spécifique.

Comme pour toute méthode de fabrication, les propriétés du matériau spécifique doivent être considérées. Par exemple, on pense parfois que l'impression laser métal remplace la fonderie. Au contraire, le laser excelle pour des pièces uniques, complexes, qui ne peuvent pas être coulées. Les propriétés d'un objet métal imprimé en 3D diffèrent de celles du « même » objet coulé en métal.

De plus, imprimer en 3D des pièces conçues pour un procédé comme le fraisage CNC serait très coûteux. Car les pièces produites par soustraction ont plus de masse et de volume, et leurs conceptions ne sont pas optimisées pour les avantages inhérents de la fabrication 3D — essentiellement, les vides et les structures légères à haute résistance.

Avantages de l'impression laser métal

Du point de vue d'un ingénieur, les avantages les plus significatifs de l'impression 3D laser métal sont :

• La capacité de produire des vides entièrement fermés et d'autres caractéristiques impossibles à usiner par soustraction
• Des structures offrant une résistance extraordinaire et un design léger jusqu'alors impossible à réaliser

Pour une industrie comme l'aviation, où la réduction du poids d'un avion signifie une consommation de carburant moindre, la légèreté est un objectif majeur.

Du point de vue applicatif, l'avantage le plus significatif serait la « personnalisation de masse » qu'a introduite l'impression additive laser 3D dans des secteurs allant des pièces de rechange aéronautiques aux couronnes et bridges dentaires, en passant par les innovations orthopédiques et prothétiques, et bien sûr tout le prototypage. Certaines de ces formes uniques ne pourraient jamais être produites par soustraction. Même pour celles qui pourraient être usinées ou coulées à un coût unitaire inférieur, aucune de ces méthodes ne pourrait approcher les délais de livraison quasi instantanés rendus possibles par l'impression 3D laser métal.

L'impression laser métal peut aussi réduire la quantité de matière perdue dans le processus de production. Là où les méthodes soustractives traditionnelles enlèvent de la matière pour créer une forme, l'impression 3D laser métal obtient la forme par l'ajout de juste la matière nécessaire.

Tant que la poudre métallique est disponible, l'impression 3D laser est flexible quant aux métaux utilisables : titane, acier inoxydable, Inconel, cobalt-chrome, mais aussi laiton, cuivre, bronze, et métaux précieux comme l'or, l'argent et le platine. Cependant, si les défis de l'impression 3D en atmosphère inerte ont été surmontés, il reste impossible de recuire correctement certains métaux. Par exemple, le tungstène peut être « construit » par impression 3D, mais le bloc obtenu est trop cassant pour être utilisable.

Inconvénients de l'impression laser pour pièces métalliques

L'impression additive 3D laser est célèbre pour rendre l'impossible possible, mais qu'en est-il de la précision ? L'impression 3D est-elle une bonne méthode pour fabriquer de petites pièces métalliques de précision ?

Examinons le DMLS, la méthode la plus mature et développée, où les variables clés déterminant la précision dimensionnelle sont :

• La taille des particules de poudre
• Les intervalles de hauteur des pas de l'élévateur
• La taille du faisceau laser

Chacun de ces facteurs détermine les tolérances dimensionnelles. Une grande taille de particule de poudre métallique entraîne des pas plus grands. La hauteur de chaque couche de poudre détermine également les tolérances atteignables. Et probablement la variable la plus importante est la taille du laser. Un faisceau minuscule donne une plus grande précision, et un faisceau plus large produit des dimensions plus imprécises. Le problème est qu'un faisceau laser plus petit génère moins de chaleur — ce qui signifie qu'il mettra plus de temps à faire son travail. Donc, on peut obtenir une pièce très précise et/ou très petite, mais sa production prendra beaucoup plus de temps. Ce qui, en retour, augmente le coût.

Il y a d'autres façons dont l'impression laser métal est chronophage. Regardons encore le DMLS, où chaque pièce a un minuscule point d'attache, comme le fin fil qui maintient un nid de guêpe suspendu à un porche. Si vous avez 10 000 pièces imprimées laser, cela signifie 10 000 points d'attache à séparer. Cette séparation de la base est généralement réalisée par électroérosion (EDM) ; mais quelle que soit la méthode, la répéter 10 000 fois annule la plupart, sinon tous les avantages de l'additif.

La réalité est que la vraie production de masse n'est toujours pas possible avec l'impression 3D laser métal. Cela la rend impratique et coûteuse pour produire des dizaines de milliers de très petites pièces. S'ajoute le coût initial élevé de l'imprimante 3D : au moins 100 000 $ pour certains nouveaux modèles de bureau visant à disrupter les disrupteurs précédents, jusqu'à plus d'un million de dollars pour les imprimantes à atmosphère contrôlée utilisées avec des métaux comme le titane ou les grandes enceintes requises pour les machines conçues pour fabriquer des pièces aéronautiques. Ce coût élevé implique que toute application proposée pour une imprimante laser doit « ajouter » quelque chose de vraiment unique pour « soustraire » de la valeur des méthodes traditionnelles de fabrication métallique.

Quel avenir ?

Nous ne voulons pas passer pour obstinés ou résistants au changement. En fait, nous voudrions saluer notre ami Scott Cohen et son associé, David Bell, chez New Lab. Ils connaissent l'avenir aussi bien que quiconque, et nous ne doutons pas que quelqu'un chez New Lab résoudra un jour certains des problèmes que nous soulignons aujourd'hui.

Si le développement d'imprimantes 3D laser de taille bureau — plutôt que de machines industrielles géantes — rendra la technologie plus accessible, nous ne voyons toujours pas l'impression laser métal adaptée à de gros volumes de petites pièces de précision. Dans ce cas, les petites machines ne font pas les petites pièces. Mais bien sûr, un jour nous pourrions avoir tort !

Pour des conseils utiles sur le choix de la meilleure méthode de coupe de précision pour votre projet de fabrication métallique, téléchargez notre livre blanc « Choisir en toute confiance : comparaison des méthodes de coupe de précision 2 axes ».