Types d'impression 3D métal
La poudre métallique est à la base de l'impression 3D métal. Bien que difficile et dangereuse à manipuler à l'état brut, ses caractéristiques uniques en font le type de stock métal idéal. La grande majorité des technologies d'impression 3D métal utilisent de la poudre métallique. Par conséquent, les principales différences entre les types d'imprimantes métal reposent sur la manière dont elles fusionnent la poudre pour en faire des pièces métalliques. Ces méthodes sont très variées, allant de l'utilisation de lasers à haute énergie pour fusionner de la poudre libre jusqu’à l'extrusion de filaments de poudre métallique agglomérée. Dans cet article, nous allons passer en revue les types d'impression 3D métal les plus utilisés, leur fonctionnement et leurs avantages.
Fusion sur lit de poudre
Connue sous de nombreux noms, la fusion sur lit de poudre est actuellement le type d'impression 3D métal le plus courant. Ces machines répartissent une fine couche de poudre sur un plateau d’impression et sélectionne une section transversale de la pièce à faire fondre dans la couche de poudre. Il existe deux types de techniques de fusion sur lit de poudre : La fusion laser sélective et la fusion par faisceau d'électrons.
La fusion laser sélective (SLM)
Aussi connu sous le nom de : Frittage direct de poudre métal (DMLS), Frittage laser sélectif (SLS), Impression 3D métal direct (DMP), Fusion laser sur lit de poudre (LPBF).
La majorité des machines de fusion sur lit de poudre sont des machines de fusion laser sélective (SLM). Les machines SLM utilisent des lasers à haute puissance pour fusionner des couches de métal et les transformer en pièces. Après l'impression, l'opérateur retire la ou les pièces du lit de poudre, la ou les découpe sur le plateau d’impression et effectue un post-traitement. C'est la norme actuelle pour l'impression métal - la plupart des entreprises spécialisées dans la fabrication additive métallique vendent aujourd'hui des machines SLM.
En tant que technologie la plus ancienne de l'impression 3D métal, la SLM est souvent considérée comme la norme servant de référence lors de l’évaluation des autres technologies. Les pièces imprimées par SLM sont parfaites pour les pièces précises et géométriquement complexes qu'il serait impossible d’usiner autrement. Elle convient à une grande variété d'applications : depuis le dentaire/la santé jusqu’à l'aérospatial. Les volumes d’impression vont du très petit (cube de 100 mm) au grand (800 mm x 500 mm x 400 mm) et la vitesse d'impression est modérée. La précision de ces machines est déterminée par la largeur du faisceau laser et la hauteur de la couche. La plupart des matériaux disponibles aujourd'hui pour l'impression 3D peuvent être utilisés sur une machine SLM.
Bien que ces machines soient révolutionnaires, leur grand nombre d’exigences en matière d'installation et de post-traitement limite ces machines aux utilisateurs industriels. Les machines SLM nécessitent des professionnels formés pour les faire fonctionner. En raison de la complexité du processus, de nombreuses pièces doivent être imprimées et modifiées à plusieurs reprises pour obtenir des résultats. Après l'impression, la plupart des pièces nécessitent un post-traitement et un traitement thermique importants. En outre, la poudre métallique que ces machines utilisent est à la fois extrêmement dangereuse et coûteuse à manipuler : la plupart des machines SLM de pointe coûtent plus d'un million de dollars, ainsi que le prix du technicien dédié à les faire fonctionner.
Fusion sous faisceau d'électrons (EBM)
Les machines EBM utilisent un faisceau d'électrons au lieu d'un laser pour fabriquer des pièces. GE Additive est la seule entreprise à produire des machines EBM. Le faisceau d'électrons produit une pièce moins précise que le SLM, mais le procédé dans son ensemble est plus rapide pour les pièces de grande taille. Ces machines présentent presque toutes les mêmes contraintes, coûts et problèmes que les machines SLM, mais sont surtout utilisées dans les applications aérospatiales et médicales. Tout comme la SLM, les machines EBM coûtent plus d'un million d'euros à installer et nécessitent un technicien spécialisé pour les faire fonctionner.
Dépôt sous énergie directe
Les machines de dépôt sous énergie directe (DED) utilisent des matières premières métalliques et un laser pour fabriquer les pièces. Contrairement à la fusion sur lit de poudre, le stock (qui peut être de la poudre ou du filament) et le laser se trouvent tous deux sur une seule et même tête d'impression qui distribue et fusionne le matériau simultanément. Les pièces qui en résultent sont très similaires à la fusion sur lit de poudre, avec quelques différences et opportunités clés.
Poudre DED
Aussi connu sous le nom de : Dépôt de matériau par laser (LMD), Poudre soufflée
Frère de la fusion sélective par laser, le dépôt sous énergie directe utilise également un laser et une poudre métallique pour fabriquer des pièces métalliques. Au lieu de répandre de la poudre sur un lit et de la faire fondre à l'aide d'un laser, les machines DED soufflent avec précision la poudre par une tête d'impression sur une pièce, en utilisant un laser en tête pour l’agglomérer à la pièce en construction.
Comme les deux machines utilisent de la poudre métallique et un laser, les pièces imprimées par DED sont très similaires à celles imprimées par SLM, à une exception près : Les machines DED peuvent utiliser leur système unique de répartition de poudre pour "réparer" les pièces qui n’ont pas été imprimées, mais qui présentent des défauts. Les matériaux disponibles, le post-traitement et les exigences en matière de gestion des poudres sont similaires à ceux du SLM, et les machines coûtent également 1 million de dollars environ.
Filament DED
Aussi connu sous le nom de : Fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM)
Les machines DED à filament utilisent un laser pour faire fondre la matière première de façon très similaire à celle des machines à poudre DED, à la différence que leur matière première est un filament métallique et non une poudre soufflée. Il s'agit d'une technologie de niche utilisée pour des volumes de fabrication plus importants (jusqu'à 5m x 1m x 1m) et des temps d'impression plus rapides, au détriment de la précision et de la qualité. Par conséquent, les pièces en filament DED sont conçues pour être nettement plus grandes et moins précises que celles issues des machines sur lit de poudre. Ces machines coûtent plusieurs millions de dollars l’unité et sont extrêmement rares.
Projection de liant
La projection de liant est une méthode d'impression 3D métal à grande échelle et haute fidélité qui pourrait remplacer le SLM comme première méthode d'impression 3D à partir de poudre libre. Le domaine a explosé, passant d'un seul fabricant à une variété d'entreprises (y compris des leaders de l'industrie de la fabrication additive) au cours des deux dernières années. En raison de sa rapidité et de son évolutivité, elle pourrait être la technologie qui propulsera les capacités de la fabrication additive métal vers de grands volumes de production.
La technologie utilisée par la projection de liant métallique est à l’image de celle qu'utilise une imprimante 2D classique pour projeter rapidement de l'encre sur du papier. Tout d'abord, une machine à projection de liant répartit uniformément de la poudre métallique sur son plateau d'impression, formant ainsi une couche non agglomérée. Ensuite, une tête d’impression semblable à celle d'une imprimante 2D répartit le polymère de liaison sous la forme d’une section transversale de la pièce, en faisant adhérer la poudre de manière lâche. Le processus se répète jusqu'à ce que la machine produise des pièces finies.
Les pièces imprimées sur les machines à projection de liant nécessitent une étape de post-traitement appelée "frittage" pour devenir entièrement métalliques. Dans ce processus, la pièce imprimée est chauffée dans un four pouvant atteindre une température juste inférieure à sa température de fusion. Le matériau de liaison brûle et la poudre métallique s'agglomère pour former une pièce entièrement métallique. Ce procédé peut s’effectuer par lots, ce qui signifie qu'il n'affecte pas de manière significative le débit.
La projection de liant présente deux avantages principaux par rapport à la fusion sélective par laser. Tout d'abord, les machines PEUVENT imprimer beaucoup plus rapidement en utilisant plusieurs têtes pour projeter de la matière à plusieurs endroits simultanément. Deuxièmement, la machine peut fabriquer des dizaines, voire des centaines, d’exemplaires de la même pièce en une seule fois. Ces pièces peuvent être frittées dans un grand four pour obtenir une infrastructure de production par lots gérable. Par conséquent, l'impression par projection de liant est nettement plus rapide par pièce que tout autre type d'impression métal. Cette rapidité (et les exigences en matière de gestion des poudres) s'accompagne de coûts considérables. Actuellement, les seules machines dans ce domaine coûtent bien plus d'un million de dollars.
Extrusion de poudre agglomérée
Aussi connu sous le nom de : Fabrication additive par diffusion atomique, dépôt de poudre agglomérée
L'extrusion de poudre agglomérée (BPE) est un nouveau venu passionnant dans le domaine de la fabrication additive métal. Contrairement à presque tous les autres grands procédés d'impression 3D, les machines BPE n'utilisent pas de poudre métallique en vrac. Au lieu de cela, la poudre est agglomérée à des polymères cireux de la même manière que le stock de matériau de moulage par injection de métal est créé. Le résultat est un matériau beaucoup plus sûr et facile à utiliser que la poudre libre : le matériau d'extrusion de poudre agglomérée peut être manipulé à la main et ne nécessite pas les mesures de sécurité qu'imposent les machines à poudre libre. Le filament BPE est extrudé par le biais d’une buse de manière très similaire à l' impression 3D FFFstandard, ce qui donne une pièce "verte" contenant de la poudre métallique uniformément répartie dans un polymère cireux. Après l'impression, le BPE comporte deux étapes de post-traitement : tout d'abord, le polymère est en grande partie dissous dans une machine de "lavage" ; ensuite, la pièce lavée est frittée dans un four (similaire à celui de la projection de liant). Au cours du processus de frittage, la pièce se rétracte pour compenser l'espace libéré par le liant dissous, ce qui donne une pièce entièrement métallique.
En tant que processus d'impression à base de filaments, les contraintes des pièces BPE reflètent étroitement celles de l'impression plastique FFF conventionnelle : il fonctionne bien pour presque toutes les géométries de pièces, et peut imprimer avec un remplissage à cellules ouvertes. Les pièces imprimées sur des systèmes BPE nécessitent encore souvent un post-traitement - traitement thermique pour les pièces nécessitant des propriétés avancées (bien que cela soit nécessaire pour tous les métaux), et post-usinage/polissage pour des finitions de surface améliorées - mais il n'y a pas de gestion des poudres et les besoins en équipements sont réduits. Les machines BPE tirent parti d'un procédé plus simple pour être beaucoup plus abordables que tous les autres grands types d'impression 3D métal, les machines coûtant entre 120 000 et 200 000 dollars. La Markforged Metal X utilise ce procédé -- pour en savoir plus sur ce procédé, consultez cet article sur le procédé Metal X.