L’impression 3D permet maintenant d’imprimer des métaux. C’est une révolution dans la métallurgie, qui avait jusque là besoin de concevoir des moules dispendieux avant de produire la moindre pièce.
Les attributs de l’impression 3D (ou fabrication additive) comprennent la personnalisation de l’impression, le faible coût unitaire pour la production de petites et moyennes séries, l’interface transparente avec les techniques d’imagerie médicale 3D courantes et la possibilité de créer des objets de forme libre dans des matériaux biocompatibles et biodégradables.
Il y a de nombreuses technologies, comme la Fusion laser sur lit de poudre, la modélisation par dépôt en fusion ou encore projection à froid. Nous les présenterons dans un second temps.
Les caractéristiques d’impression 3D de métal
Moins de coûts fixes, plus d’agilité
Les particularités de l’impression 3D de métal est l’agilité. Presque toutes les méthodes de fabrication existantes deviennent moins chères sur la base du coût par pièce lorsque le volume augmente. Le moulage, l’usinage et le formage (entre autres) en sont de parfaits exemples. À faible et moyen volumes, leur coût de mise en œuvre peut être prohibitif. Cependant, à grande échelle, ils sont de loin le moyen le moins cher de fabriquer une pièce.
L’impression 3D métal contourne ce problème en utilisant un processus largement automatisé qui n’entraîne pratiquement aucun frais général. L’impression de la première pièce n’exige qu’un minimum de main-d’œuvre supplémentaire par rapport à la centième, et le système utilise la même quantité de consommables pour chaque pièce. Le coût de la pièce est ainsi verrouillé, quelle que soit sa quantité.
Des pièces complexes moins chères
Des années de formation à la conception pour la fabrication ont incité la plupart des ingénieurs à concevoir des pièces aussi simples à fabriquer que possible. La justification de cette approche est aussi simple qu’économique : pour la grande majorité des processus de fabrication, une complexité accrue est synonyme de coût supplémentaire. Les pièces complexes nécessitent plus de travail pour programmer les machines, des machines plus perfectionnées pour réaliser la fabrication, et prennent plus de temps à réaliser. Dans la plupart des méthodes de fabrication, ce phénomène reste remarquablement cohérent ; tout est concerné, des moulins aux pièces moulées. L’impression 3D sur métal n’est pas concernée.
Presque tous les procédés de fabrication de métaux reposent sur un processus soustractif (même le moulage nécessite des moules). Les pièces fabriquées de manière conventionnelle commencent toutes par un bloc de métal, et la machine (généralement une fraiseuse ou quelque chose de similaire) enlève de la matière pour créer la pièce finale. Pour les pièces complexes, ces opérations peuvent être à la fois extrêmement difficiles et longues à réaliser. Il en résulte des pièces coûteuses qui prennent beaucoup de temps à fabriquer et gaspillent beaucoup de matériau. Ainsi, pour certaines pièces, c’est l’efficacité en général qui est améliorée: les pièces sont simplement moins chères à faire. C’est surtout vrai pour les pièces très complexes.
La production de pièces impossibles
L’impression 3D de métal permet même de créer des pièces autrement impossibles à produire. Ces pièces vont de l’ultra complexe – comme les pièces à topologie optimisée issues d’un logiciel de conception générative – au processus optimisé – comme les moules à injection avec canaux de refroidissement conformes ou la conception de collecteurs personnalisés. La plupart de ces « pièces impossibles » ont une caractéristique clé en commun : des courbes, des formes ou des cavités complexes où les processus conventionnels ne peuvent tout simplement pas enlever de la matière.
Les technologies de la metallurgie additive
Il y a de nombreuses technologies d’impression metal 3D. Voici les plus courantes :
Fusion laser sur lit de poudre (LPBF)
La technologie d’impression 3D métal la plus courante est la fusion laser sur lit de poudre, plus connue sous le nom de fusion sélective par laser (SLM), qui représente environ 80 % du marché des imprimantes 3D métal.
Le procédé LPBF peut être utilisé avec un large éventail de matériaux – aluminium, titane, fer, nickel, cobalt, alliages à base de cuivre et leurs composites – et implique un laser (ou plusieurs) qui fait fondre lentement et régulièrement couche par couche la poudre métallique, fusionnant les minuscules particules à l’intérieur du métal.
Les pièces sortent des procédés LPBF prêtes à l’emploi, sans autre étape, si ce n’est qu’il faut éventuellement retirer les structures de support. La finition de la surface des pièces frittées est cependant rugueuse et, selon vos besoins, elle peut nécessiter un traitement ultérieur.
Modélisation par dépôt en fusion (FDM) avec filament métallique
Le FDM, qui utilise un filament extrudé par une buse, est le cheval de bataille de l’impression 3D plastique, mais il se transforme en technologie d’impression métallique lorsque vous utilisez un filament plastique infusé avec de la poudre métallique ou des filaments presque entièrement métalliques. La partie plastique du filament (ou liant) est retirée lors du post-traitement pour révéler une pièce qui est jusqu’à 98 % en métal, bien qu’ils puissent avoir une porosité relativement élevée. Les filaments métalliques sont également abrasifs pour les extrudeuses des machines FDM, de sorte que des extrudeuses renforcées ou en acier trempé sont nécessaires.
Le FDM métallique est de loin le moyen le moins coûteux de produire des pièces métalliques, car le filament métallique peut être utilisé sur une large gamme d’imprimantes 3D de bureau conçues à l’origine pour les plastiques, comme l’Ultimaker S5, la MakerBot Method et la Raise3D. En fait, l’utilisation de filaments en acier inoxydable sur des imprimantes 3D de bureau conçues principalement pour les plastiques a fait couler beaucoup d’encre. Quelle est donc la différence entre cette méthode et les imprimantes dédiées au métal que nous présentons ci-dessous ?
En bref, tout dépend des propriétés structurelles et mécaniques dont vos pièces ont besoin. Cela ne veut pas dire que les pièces métalliques produites par ces imprimantes de bureau ne sont que décoratives. Il s’agit de véritables pièces métalliques adaptées à un large éventail d’applications, notamment l’outillage, les gabarits et les montages, la production de petites séries, les pièces fonctionnelles, les prototypes et même les bijoux. La méthode d’impression FDM est toutefois moins précise que les autres technologies d’impression 3D en métal et cette méthode nécessite des supports, ce qui peut limiter la géométrie des pièces. Les pièces réalisées à partir d’un filament métallique nécessitent également un déliantage et un frittage (souvent chez un tiers), ce qui ralentit votre production.
Les pièces imprimées peuvent perdre jusqu’à un tiers de leur volume en post-traitement, ce qui doit être pris en compte avant l’impression, mais heureusement, votre logiciel devrait gérer les calculs.
Fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (EBM)
L’EBM est une autre technologie de fusion sur lit de poudre qui utilise un faisceau d’électrons au lieu de lasers pour fondre et fusionner entièrement les matériaux métalliques. Elle est moins précise que la SLM mais peut produire des pièces plus grandes plus rapidement. Le processus EBM se déroule sous vide et à haute température, ce qui permet d’obtenir des composants libérés des contraintes avec des propriétés matérielles supérieures à celles des matériaux coulés et comparables à celles des matériaux corroyés.
Jet de liant métallique
Le jet de liant a vraiment pris son envol ces dernières années et est sur le point de détrôner le SLM en tant que norme industrielle, car il est flexible et peu coûteux. Une imprimante à jet de liant distribue une couche de poudre métallique, puis utilise une tête de projection pour déposer un polymère liant afin de créer la géométrie. Bien que la pièce soit produite plus rapidement et en plus grands lots que tous les autres procédés à lit de poudre, l’impression n’est que la première étape. Tout comme pour le procédé FDM, le post-traitement, tel que le dépoudrage, le déliantage, le frittage, l’infiltration, le recuit et la finition de la pièce prend souvent plus de temps que l’impression de la pièce initiale.
Projection à froid
La projection à froid est une technologie de fabrication qui consiste à pulvériser des poudres métalliques à des vitesses supersoniques pour les lier sans les faire fondre, ce qui ne produit pratiquement aucune contrainte thermique. Depuis le début des années 2000, elle est utilisée comme procédé de revêtement, mais plus récemment, plusieurs entreprises ont adapté la projection à froid à la fabrication additive, car elle permet de déposer des couches de métal dans des géométries exactes pouvant atteindre plusieurs centimètres, à une vitesse 50 à 100 fois supérieure à celle des imprimantes 3D métalliques classiques.
Dans le cadre de la fabrication additive, la projection à froid est utilisée pour fabriquer rapidement des pièces de rechange en métal et pour réparer et restaurer sur place des composants métalliques, tels que des équipements militaires et des machines dans l’industrie pétrolière et gazière, ce qui permet aux entreprises d’économiser des millions de dollars en réusinage et en interruptions des flux de travail. Dans certains cas, les pièces réparées peuvent être meilleures que les pièces neuves.
Dépôt par énergie directe de poudres et de fils
Les technologies de dépôt par énergie dirigée (DED) fusionnent les matériaux en les faisant fondre au moment du dépôt, comme pour la soudure. Il s’agit d’un procédé de fabrication souvent utilisé pour la réparation et l’entretien de pièces métalliques existantes, mais qui peut également permettre de construire rapidement des pièces métalliques.
Plusieurs procédés entrent dans cette catégorie et diffèrent par la source de chaleur et la matière première. L’un d’eux, appelé fabrication additive à l’arc électrique (WAAM), utilise un fil métallique et un arc électrique pour fabriquer de grandes pièces métalliques qui sont ensuite usinées jusqu’à leur forme finale. D’autres technologies DED utilisent un fil métallique avec une source d’énergie à base de plasma, de laser ou de faisceau d’électrons, tandis qu’il existe également une technologie populaire utilisant une poudre métallique projetée par une buse et fondue avec de l’énergie laser.
Pour aller plus loin:
- Biomedical Applications of Metal 3D Printing, Annual Review of Biomedical Engineering
Vol. 23:307-338, 2021, https://doi.org/10.1146/annurev-bioeng-082020-032402