Le guide avancé des techniques d'impression 3D sur métal

En matière d'impression 3D, l'impression 3D métallique mérite d'être évoquée en raison de la grande résistance et de la durabilité des métaux. L'impression 3D de métaux est principalement synonyme de fabrication additive, qui consiste à créer des produits en construisant des couches une à une.

Il existe différentes techniques d'impression 3D de métaux. Vous pouvez donc choisir entre différents types de matériaux afin d'obtenir une combinaison parfaite de durabilité, de coût, de finition de surface et de vitesse. Voici un guide complet sur le processus, le fonctionnement, les types et les applications de l'impression 3D métallique.

Qu'est-ce que la technique d'impression 3D sur métal et comment fonctionne-t-elle ?

L'impression 3D de métaux est une technologie de fabrication additive qui produit des pièces métalliques sous forme de couches par frittage, fusion et soudage. L'impression 3D de métal utilise généralement de la poudre de métal pour fonctionner. Généralement, une large gamme d'alliages métalliques et de métaux, y compris l'acier inoxydable, l'aluminium, le chrome cobalt et le titane, sont impliqués dans l'impression 3D métal.

Le travail du métal pour les imprimantes 3D s'articule principalement autour de la SLM et de la DMLS. Voyons donc comment cela fonctionne :

Avant d'aborder le processus d'impression 3D de métaux, permettez-moi de vous présenter la plateforme de construction. En général, les pièces métalliques y sont fixées par des structures de support fabriquées dans le même matériau que les pièces. La plateforme de construction permet principalement d'éviter les déformations ou les courbures dues à des températures élevées.

Étape 1

La première étape consiste à minimiser la probabilité d'oxydation de la poudre métallique en remplissant la chambre de construction de gaz inerte, c'est-à-dire d'argon. Ensuite, la chambre de construction est chauffée à une température optimale.

Étape 2

Après avoir étalé la fine couche de poudre métallique, la section transversale du composant est scannée à l'aide d'un laser à haute puissance.

Par conséquent, les particules métalliques fusionnent et donnent naissance à une autre couche. De même, toute la surface de la pièce métallique est contrôlée afin de s'assurer de la formation d'un produit entièrement solide.

Étape 3

Dès que le processus de numérisation est terminé, la plate-forme de construction se déplace vers le bas et étale une deuxième couche mince de métal à l'aide d'un dispositif de recouvrement. Le processus se répète jusqu'à la formation du produit final.

Étape 4

Une fois le produit formé et le bac refroidi à température ambiante, l'excédent de poudre métallique doit être retiré manuellement par les techniciens. Ensuite, la pièce est traitée thermiquement sans être détachée de la plate-forme de construction. La plate-forme de construction sert ici à soulager les contraintes résiduelles de la pièce.

Enfin, il est temps de séparer le composant de la plate-forme de construction par usinage ou découpe. Vous pouvez maintenant utiliser la pièce pour un post-traitement ultérieur.

Quels sont les différents types de techniques d'impression 3D sur métal ?

Comme nous l'avons vu précédemment, la poudre de métal est un élément clé des machines d'impression métallique. Par conséquent, la différence entre tous les types de techniques d'impression 3D de métal réside dans la fusion de la poudre en pièces métalliques. Ces techniques font appel à différentes sources pour le fonctionnement d'une imprimante 3D métal.

Nous examinerons ci-dessous ses principaux types, leur fonctionnement et leurs utilisations :

1. Fusion du lit de poudre

La fusion sur lit de poudre est la technique d'impression 3D directe de métal la plus fréquemment utilisée. Le principe de fonctionnement de ces machines consiste à étaler une fine couche de poudre et à utiliser une source thermique pour fondre une section transversale de la pièce dans une couche de poudre.

Afin d'obtenir des informations approfondies sur ce processus, il convient de se pencher sur ses types les plus courants. Lorsqu'il s'agit des meilleures imprimantes 3D pour le métal, les premières images qui viennent à l'esprit sont DMLS et SLS. En règle générale, le SLM (frittage sélectif par laser), le DMLS (frittage direct par laser) et le MJF (fusion à jets multiples) sont des types de fusion sur lit de poudre. Examinons ces types un par un :

● DMLS

Le frittage laser direct de métaux se distingue par le fait qu'il permet de fabriquer des pièces à partir de n'importe quel alliage métallique. Les autres méthodes d'impression 3D ne sont compatibles qu'avec des alliages métalliques spécifiques ou des matériaux à base de polymères. Bien que le fonctionnement du DMLS soit assez similaire à celui du SLS, la différence se situe au niveau moléculaire. Au lieu de fondre la poudre de métal, elle est seulement frittée. En fin de compte, on obtient des pièces moins poreuses qu'avec la technique de fusion.

En outre, cette imprimante 3D à frittage de métal nécessite moins d'énergie, car elle n'a pas besoin de chaleur pour faire fondre la poudre de métal. Le processus est spécifiquement utilisé pour créer des produits avec des contre-dépouilles, des cavités et des angles de dépouille. Ses principales applications sont les prototypes fonctionnels, les outils et les appareils ou instruments médicaux.

● SLS

Cette méthode permet d'obtenir des objets imprimés extrêmement denses et solides. En général, un laser de forte puissance est utilisé pour assembler les petites particules de poudre en une pièce tridimensionnelle. Une fois qu'une couche est fusionnée, un rouleau est déplacé sur le lit pour assurer la distribution de la couche de poudre suivante. Ensuite, la majeure partie de la poudre détachée est éliminée par brossage manuel.

Les imprimantes SLS métal sont idéales pour traiter les pièces mécaniques, notamment les hélices et les engrenages. En outre, ce procédé permet de fabriquer des pièces pour les industries automobile, aérospatiale et médicale.

● MJF

La technologie de fusion multijet utilise des bras de balayage. Tout d'abord, un bras de balayage applique la couche de poudre, puis le second bras, composé de jets d'encre, dépose de manière sélective un agent liant sur la pièce en question. En outre, le jet d'encre permet d'obtenir des surfaces lisses et précises en appliquant un agent de finition autour du liant.

Avantages du projet PBA

Voici quelques avantages courants de la méthode de fusion sur lit de poudre :

• Vous pouvez fabriquer une large gamme de géométries.
• Fournit les meilleures propriétés mécaniques aux produits.

Inconvénients

Cette méthode présente certains inconvénients, tels que des coûts élevés, des tailles de construction limitées, la production de déchets et la manipulation dangereuse de poudres métalliques.

2. Jets de liant

La technique de projection de liant dans l'impression 3D a été mise au point dans les années 1990. L'objectif était d'obtenir un métal imprimable à faible coût qui soit également très efficace.

La méthode commence par le dépôt du matériau d'impression 3D initial dans l'imprimante sous forme de poudre, comme du sable, de la poudre de métal, de la céramique ou du polymère. L'agent liant est ensuite appliqué par jet d'encre et chaque couche est imprimée sur la plate-forme de construction. Au fur et à mesure que le processus se répète, la poudre est recouverte après chaque couche jusqu'à ce que l'impression soit terminée.

Cette technique permet de produire un grand nombre de pièces et d'outils d'usinage de haute qualité en peu de temps. En outre, vous pouvez trouver des applications dans la fabrication de moules pour le moulage au sable, de modèles réalistes et de prototypes à faible coût.

Avantages

En utilisant cette technique, on peut s'attendre aux avantages suivants :

• Faible coût.
• Précision dimensionnelle de 2 mm.
• Excellente production de couleurs.

Inconvénients

Malgré ses avantages remarquables, les résultats ne sont pas encore à la hauteur. Vous ne pouvez l'utiliser que pour des applications de faible intensité.

3. Jets de matériaux

Le jetting de matériaux, également connu sous le nom de polyjet, est une technique assez populaire dans les imprimantes 3D de feuilles de métal. Elle utilise des matériaux photoréactifs visqueux tels que les cires et les photopolymères (liquides), qui sont couramment utilisés en raison de leur viscosité. En raison de leur nature visqueuse, ils forment de fines gouttelettes pour former des couches. En général, la méthode utilise la lumière UV pour solidifier le matériau sur les pièces. Le produit est principalement fabriqué couche par couche jusqu'à ce qu'il soit terminé.

Cette technique peut être utilisée dans des applications telles que le prototypage pour créer des prototypes très visuels pour différentes marques et des modèles médicaux.

Avantages

• La précision peut atteindre 0,01 millimètre par couche mince.
• Il permet d'obtenir une finition de surface lisse.
• Le procédé offre une large gamme de couleurs pour les pièces matérielles.

Inconvénients

Les inconvénients du jet de matière sont qu'il n'est pas adapté aux applications mécaniques et qu'il s'agit d'un processus d'impression à faible vitesse.

4. Extrusion de matériaux

Comme son nom l'indique, cette technique d'impression 3D fonctionne sur le principe de l'extrusion, où le matériau proche de son point de fusion passe à travers une petite ouverture. Cette technique consiste à déposer des filaments 3D métalliques composites et des matériaux thermoplastiques sur une trajectoire prédéterminée pour former des couches. Les matériaux couramment utilisés pour l'extrusion sont le PLA, le PA, l'ABS, le TPU, la fibre de carbone, etc.

En général, l'extrusion de matériaux dans les pièces métalliques imprimées en 3D s'applique aux boîtiers électroniques, aux modèles de moulage à la cire perdue, aux fixations, etc.

Il existe deux sous-types d'extrusion de matériaux :

• FDM (Fused Deposition Modeling)
• FFF (Fused Filament Fabrication)

1) FDM

La technologie FDM utilise un filament de plastique qui est d'abord liquéfié puis re-solidifié dans une forme requise (déjà définie par un modèle CAO). Généralement, le chauffage d'une buse d'extrusion est responsable de la fusion du plastique. Le matériau fondu tend à former des couches qui, après durcissement, donnent naissance à un objet en 3D.

2) FFF

La technologie FFF est exactement similaire à la technologie FDM. Toutefois, les pièces FDM sont considérées comme plus résistantes que les pièces FFF. En ce qui concerne le fonctionnement de la technologie FFF, il manque un environnement d'impression chauffé, ce qui est un facteur clé dans les résultats moins précis des produits.

Avantages

Voici quelques grands avantages de l'extrusion métallique :

• Faible coût
• Vous pouvez facilement l'utiliser en toute sécurité.
• Permet une impression rapide des pièces délicates.

Inconvénients

L'extrusion du matériau n'est pas préférable en termes de précision et de vitesse en raison du rayon limité de la buse. De plus, les techniciens doivent maintenir la qualité de finition du produit.

5. Polymérisation en cuve

La photopolymérisation en cuve est l'un des procédés de fabrication additive qui utilise uniquement le photopolymère comme matériau important pour cette technique. La résine photopolymère est généralement disponible en différentes couleurs. La photopolymérisation utilise généralement la lumière UV pour durcir la résine et obtenir une finition de surface parfaite.

En outre, le processus de photopolymérisation se produit lorsque les molécules des photopolymères liquides sont exposées à différentes longueurs d'onde de la lumière. Elles se lient alors rapidement entre elles et durcissent pour former un solide.

Les techniques de polymérisation en cuve sont courantes pour la production de pièces aux détails fins, comme la joaillerie et différentes applications dentaires et cliniques.

Cette technique 3D se décline en plusieurs types :

• SLA (stéréolithographie)
• DLP (traitement numérique de la lumière)
• CDLP (traitement numérique continu de la lumière)

1) ANS

Le SLA est surtout connu pour ses résistances serrées, ses niveaux de détail élevés et ses finitions de surface lisses. Le travail de ce type implique une plate-forme de construction qui est plongée dans un récipient rempli de résine. Pendant cette opération, il ne reste qu'une couche de hauteur entre le fond du réservoir de résine et la plate-forme de construction. Ensuite, un galvanomètre, à l'aide d'un code G, trace le faisceau laser dans la trajectoire, qui est responsable de la création d'une couche sur la pièce.

Par la suite, la section transversale d'une pièce particulière est recouverte d'un nouveau matériau. En suivant les mêmes étapes, de nouveaux revêtements peuvent être formés sur cette surface recouverte.

2) DLP

Comme son nom l'indique, la méthode du traitement numérique de la lumière utilise la lumière et des polymères photosensibles pour l'impression. Elle ne diffère de la méthode SLA que par la source lumineuse. Elle utilise différentes sources de lumière projetée, telles que les lampes à arc. En outre, elle est considérée comme plus rapide que la méthode SLA.

La DLP est idéale pour imprimer des motifs complexes sur des résines afin de former des jouets, des moules dentaires, des moules à bijoux, des figurines et bien d'autres produits aux détails fins.

3) CDLP

CLIP est la technique de polymérisation de la TVA la plus rapide qui permet de produire des objets à faces lisses de formes variées. Cette technologie utilise explicitement un projecteur UV, de l'oxygène et une résine photosensible pour produire un objet en 3D.

La plate-forme de construction est légèrement immergée dans un puits de résine photosensible. Lorsque la plate-forme de construction s'élève, la lumière UV réagit avec la résine, ce qui entraîne le durcissement du matériau. À ce stade, la lumière UV et l'oxygène sont ajustés pour modifier la forme de la pièce pendant qu'elle s'élève du puits de résine. L'un des principaux objectifs du CDLP est de générer des propriétés mécaniques dans des pièces véritablement isotropes.

Avantages

• Il fournit un travail de qualité et détaillé.
• De plus, il offre une impression rapide.

Inconvénients

Outre les avantages de la polymérisation en cuve, elle manque également de résistance, et la lumière UV peut affecter la résine même après l'impression. De plus, avec le temps, la résine peut se déformer et se tordre.

6. Dépôt direct d'énergie :

Le dépôt direct d'énergie dans l'impression 3D est une technique complexe généralement utilisée pour réparer des pièces industrielles. Dans ce processus, seul le métal sous forme de fil ou de poudre est utilisé. En outre, il ne nécessite aucune structure de soutien supplémentaire et utilise une source d'énergie élevée, comme un laser ou un faisceau d'électrons, pour faire fondre le matériau en même temps que l'impression.

Toutefois, en fonction des différentes applications, cette technique est également connue sous le nom de DMD, LENS, EBAM, etc.

Les applications de cette technique dans le secteur industriel sont la réparation de palettes ou d'aubes de turbine endommagées.

Avantages

• Des pièces plus grandes peuvent être fabriquées avec une plus grande efficacité.
• Permet une impression rapide par rapport à d'autres services d'impression 3D de métaux.
• Ce procédé permet de créer des produits de haute densité dotés d'excellentes propriétés mécaniques.

Inconvénients

Il ne fait aucun doute que les performances globales de cette méthode sont remarquables, mais elle est relativement très coûteuse. En outre, elle fonctionne sans utiliser de structures de soutien, ce qui élimine la possibilité de surplombs.

7. Laminage des feuilles

Le laminage de feuilles suit le phénomène de couche par couche pour former une pièce métallique en 3D. Dans cette méthode, de fines feuilles de métal sont empilées et stratifiées, pour aboutir à une pièce unique qui peut être transformée en un objet 3D par découpage. La stratification peut inclure le soudage par ultrasons, le brasage ou le collage. Une fois le processus d'impression terminé par cette méthode, les produits résultants sont modifiés par usinage ou perçage.

Avantages

• Les matériaux sont faciles à manipuler
• Aucun système de soutien supplémentaire n'est nécessaire
• L'utilisation de matériel standard permet de réduire les coûts
• Après post-traitement, il offre un temps d'impression plus rapide.

Inconvénients

La technologie de laminage des feuilles offre des options limitées en matière de matériaux. En outre, il peut être difficile d'enlever l'excédent de matériau après le laminage. Enfin, cette méthode génère beaucoup de déchets.

Caractéristiques de l'impression 3D de métaux par rapport à la SLM et à la DMLS

1. Paramètres de l'imprimante 3D

Les paramètres sont déjà définis dans une imprimante par les fabricants de machines. En général, une hauteur de couche de 20 à 50 microns est utilisée. Par ailleurs, la taille de construction générale du système est d'environ 250 * 150 * 150 mm, mais des systèmes plus grands sont également disponibles sur le marché.

En outre, au cours des opérations SLM et DMLS, moins de 5% de métal en poudre sont gaspillées sous la forme de structures de support. Cependant, le maximum de poudre peut être recyclé.

2. Adhésion de la couche

Les pièces produites par les imprimantes 3D DMLS et SLM qui peuvent imprimer du métal ont des caractéristiques thermiques et mécaniques isotropes élevées. Ces pièces solides présentent une très faible porosité interne. En revanche, elles possèdent une résistance et une dureté plus élevées que les autres techniques traditionnelles.

Cependant, leur rugosité de surface élevée les rend sensibles à la fatigue.

3. Structures légères

Dans l'impression 3D de métaux, une structure en treillis est généralement utilisée pour obtenir des pièces légères. Il est également possible d'utiliser des algorithmes d'optimisation de la topologie pour obtenir des conceptions organiques et légères.

4. Structures de soutien

Les structures de support sont essentielles aux imprimantes 3D SLM et DMLS pour faire face aux conséquences des températures de traitement élevées. Les trois fonctions principales de ces structures sont les suivantes :

• Ils servent à fixer la pièce à usiner aux plaques de construction afin d'éviter les déformations.
• Il contribue à former la couche suivante sur laquelle il faut s'appuyer.
• Ils jouent un rôle essentiel en évacuant la chaleur du composant. Celui-ci se refroidit donc rapidement.

Verdict final

Vous avez peut-être remarqué que les différentes techniques d'impression 3D de métaux présentent des avantages, mais aussi des inconvénients. Compte tenu du coût relativement élevé des imprimantes 3D et des poudres métalliques, la meilleure solution consiste à obtenir des impressions 3D personnalisées à la demande.