Impression 3D métallique : aperçu de la technologie et de son processus

Qu’est-ce que l’impression 3D métallique ?

L’impression 3D métallique, également appelée fabrication additive métallique, permet de créer des objets tridimensionnels en déposant ou en fusionnant sélectivement des poudres métalliques couche par couche. Deux méthodes courantes sont utilisées pour cela : la fusion par faisceau d’électrons (EBM) et la fusion sélective au laser (SLM). Comparée aux techniques de fabrication traditionnelles, l’impression 3D métallique offre une plus grande liberté de conception, permet de réaliser des géométries complexes et assure une grande précision pour produire des pièces métalliques personnalisées.

Comment cela fonctionne-t-il ?

L’impression 3D métallique, également appelée fabrication additive, suit un processus séquentiel. Elle commence par la création d’un modèle numérique à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) en 3D. Le modèle est ensuite découpé en fines couches, et les poudres métalliques sont préparées pour l’impression. Grâce à des techniques comme la fusion sélective au laser (SLM) ou la fusion par faisceau d’électrons (EBM), l’imprimante fait fondre et fusionne sélectivement la poudre métallique couche par couche, en suivant le modèle découpé. Ce processus couche par couche se poursuit jusqu’à ce que l’objet complet soit formé. Des étapes de post-traitement, telles que le retrait des structures de support, le traitement thermique ou la finition de surface, peuvent être effectuées. Le résultat est un objet métallique entièrement formé, personnalisé, avec des détails complexes et des spécifications précises.

Types d'Impression 3D Métallique

Il existe cinq principales technologies d’impression 3D métallique utilisées dans l’industrie : la fusion sélective au laser (SLM), la fusion par faisceau d’électrons (EBM), le frittage laser direct de métal (DMLS), le jet de liant (Binder Jetting) et la projection d’énergie dirigée (DED).

Fusion Sélective au Laser (SLM)

La fusion sélective au laser (SLM) est une technique populaire d’impression 3D métallique qui utilise un laser puissant pour fusionner et faire fondre sélectivement des poudres métalliques, permettant de produire des composants métalliques entièrement solides avec des géométries extrêmement complexes.

Pendant le processus SLM, une fine couche de poudre métallique est uniformément déposée sur la plateforme de fabrication. Le laser scanne ensuite la couche de poudre, faisant fondre des zones spécifiques selon le modèle numérique.

Pour les applications nécessitant des conceptions complexes, une grande précision et une forte intégrité structurelle, la SLM est une option privilégiée grâce à sa capacité à contrôler précisément le laser et à produire des composants métalliques personnalisés et détaillés avec des propriétés mécaniques exceptionnelles.

(Fig.1 : Directives de conception JLC3DP pour la SLM)

Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

La fusion par faisceau d’électrons (EBM) est une technologie avancée d’impression 3D métal similaire à la fusion sélective par laser (SLM), mais elle utilise un faisceau d’électrons au lieu d’un laser pour faire fondre et fusionner les poudres métalliques. Dans le processus EBM, un faisceau d’électrons focalisé scanne et fait fondre sélectivement le lit de poudre métallique couche par couche selon le modèle numérique. Ce procédé permet une fusion précise des particules métalliques, produisant des composants métalliques de grande taille avec d’excellentes propriétés mécaniques. L’EBM offre des avantages tels que des vitesses de fabrication élevées, des contraintes résiduelles réduites et la possibilité de fabriquer des pièces aux géométries complexes. Elle est particulièrement adaptée à la production de composants métalliques solides, complexes et fonctionnels, ce qui en fait un choix privilégié dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile et du médical.

Frittage laser direct de métal (DMLS)

Le frittage laser direct de métal (DMLS) est une méthode de fabrication additive métallique très proche du SLM. Au lieu de faire fondre complètement la poudre métallique, le DMLS la fritte sélectivement à l’aide d’un laser de faible puissance, fusionnant les particules couche par couche pour créer l’objet. Cette technologie permet de fabriquer avec précision des pièces de production à petite échelle et des prototypes fonctionnels. Le DMLS est polyvalent et peut traiter différents métaux tout en produisant des géométries complexes, ce qui le rend idéal pour les applications dans les secteurs de la santé, de l’automobile et de l’aérospatiale nécessitant une production à petite échelle et un prototypage rapide.

Jet de liant (Binder Jetting)

Le jet de liant est un procédé de fabrication additive où un liant liquide est projeté sélectivement sur des couches de poudre métallique, liant les particules entre elles. Une fine couche de poudre métallique est étalée sur la plateforme, puis une tête d’impression dépose des gouttelettes de liant à des emplacements précis. Ce processus est répété couche par couche jusqu’à ce que la pièce soit complète. Des étapes de post-traitement, telles que le frittage, sont généralement nécessaires pour éliminer le liant et fusionner les particules métalliques en un composant solide.

Le jet de liant présente des avantages en termes de vitesse d’impression et de rentabilité par rapport aux autres méthodes d’impression 3D métal. La déposition rapide du liant permet une production plus rapide, ce qui le rend adapté aux applications nécessitant un gain de temps, comme la fabrication d’outillages. Il utilise des poudres métalliques moins coûteuses et permet un rendement élevé en matière première, réduisant les déchets. Le jet de liant permet également de créer des géométries complexes, des designs détaillés et des pièces personnalisées, ce qui est utile dans les secteurs de la bijouterie, de l’outillage et du prototypage rapide.

Cependant, les propriétés mécaniques des pièces produites par jet de liant sont généralement inférieures à celles obtenues par SLM ou EBM. Par conséquent, cette technologie est mieux adaptée aux applications où une résistance modérée suffit et où la rapidité et le coût sont des priorités.

Dépôt d’énergie dirigé (DED)

Avec le dépôt d’énergie dirigé (DED), une source d’énergie concentrée, comme un laser ou un faisceau d’électrons, est utilisée pour déposer avec précision de la poudre métallique ou du fil métallique sur un substrat. Cette méthode permet de nombreuses applications, telles que le revêtement, la fabrication additive de composants métalliques à grande échelle et la réparation.

Pendant le dépôt du métal sur le substrat, la source d’énergie DED le fait fondre. L’énergie concentrée assure un contrôle précis de l’apport de chaleur, permettant un dépôt couche par couche. Grâce à sa flexibilité, le DED peut être utilisé pour réparer des pièces métalliques endommagées en ajoutant du matériau afin de restaurer leur forme et leur fonctionnalité initiales.

Une autre application du DED est le revêtement. En déposant des couches de métal sur un substrat, le DED peut créer des revêtements protecteurs qui améliorent les propriétés de surface du composant, telles que la résistance à l’usure ou à la corrosion.

Le DED est également utilisé pour la fabrication additive de composants métalliques à grande échelle. En déposant et solidifiant continuellement des couches de métal, des structures complexes peuvent être construites, permettant de créer des pièces sur mesure avec des géométries et des propriétés spécifiques.

L’un des avantages du DED est sa capacité à fonctionner avec une large gamme de matériaux, y compris divers métaux et alliages. Cette polyvalence permet de produire des composants aux propriétés matérielles adaptées à des besoins spécifiques. Le DED est souvent utilisé dans des secteurs tels que l’aérospatiale, l’automobile et l’énergie, où la réparation, le revêtement ou la fabrication de composants métalliques de grande taille est essentielle. La possibilité d’ajouter du matériau directement sur le substrat offre une solution efficace et économique pour réparer ou améliorer des pièces existantes, ainsi que pour fabriquer de nouvelles pièces avec des géométries complexes.

Conclusion

En résumé, l’impression 3D métal est une technologie révolutionnaire qui permet de produire des composants métalliques précis, personnalisés et complexes. Des objets métalliques peuvent être fabriqués couche par couche à l’aide de divers procédés, notamment le frittage laser direct de métal (DMLS), le jet de liant, la fusion par faisceau d’électrons (EBM), la fusion sélective par laser (SLM) et le dépôt d’énergie dirigé (DED). Ce procédé offre des possibilités de conception uniques et des avantages pratiques. Ces techniques de fabrication additive sont utilisées dans divers secteurs, notamment la bijouterie, l’automobile, l’aérospatiale et la santé. Avec les développements continus, l’impression 3D métal possède un énorme potentiel pour transformer les processus de production et stimuler l’innovation dans de nombreux domaines.