Fabrication additive métallique, un procédé avec lequel il faudra désormais compter FAM : ces technologies qui arrivent à maturité

Auteur / Rédacteur: Auteur : Jean Guilhem, journaliste indépendant / Gilles Bordet

Depuis 1995, la fabrication additive (FA) métallique ne cesse de bénéficier d'avancées technologiques majeures. Nouveau secteur de la mécanique générale, cette FA est maintenant utilisée aussi bien pour des prototypes uniques, des petites séries voir de moyennes séries en tant que procédé de fabrication à part entière.

Entreprises liées

Structure lattice alumium imprimée en 3D comprenant deux millions d'éléments.
Structure lattice alumium imprimée en 3D comprenant deux millions d'éléments.
(Source : Sté Erpro & Sprint)

La grande majorité de pièces issues des FA métalliques demeurent cependant des ébauches qu'il faudra finir par des moyens d'usinage conventionnels. Malgré des coûts d'investissements élevés, l'avènement de la FA et sa démocratisation au sein des entreprises mécaniciennes ouvre la porte à de nouveaux concepts en autorisant la création de géométries complexes et subtiles qu'il était impossible de concevoir il y a quatre décennies.

D'après le fournisseur d'études américain SmarTech Markets Publishing, le marché de la fabrication additive est particulièrement dynamique puisqu'il est estimé à 6,6 milliards de dollars à l'horizon 2026.

Galerie d'images
Galerie d'images avec 12 images

Dopée par l'aéronautique, l'automobile, le médical et diverses fabrications industrielles, la FA métallique offre de nombreux atouts comme gagner en agilité et en coûts de fabrication. Plus que les autres technologies de la mécanique générale (fraisage, tournage, électro-érosion, rectification…) elle autorise l'obtention rapide de formes sophistiquées à partir de conceptions 3D pratiquement sans obstacles pour un porte feuille de matériaux toujours plus vaste. Ces façonnages peuvent intégrer des cavités, des treillis ou structures lattices ou encore des parois fines, autant de géométries difficiles, voir impossibles à réaliser avec les moyens conventionnels de transformation des métaux.

Combinant en un seul poste à l'atelier métallurgie et mécanique, cette révolution demande une réelle mutation de mentalités au niveau des bureaux d'études. Complexes à anticiper les facultés de la FA facilitent la conception de pièces aux fonctions améliorées notamment pour la gestion thermique de certains composants mécaniques par exemple.

La FA offre en plus des gains évidents d'allègement grâce aux structures lattices et à l'optimisation topologique, autant d'opérations qui, consistent à implanter le métal uniquement là où il est nécessaire. Outre le gain de masse, aspect très recherché pour les moyens de transport, la FA métallique permet, dans de très nombreux cas, de réduire le nombre de pièces finales en construisant d'un seul tenant, un élément mécanique qui aurait exigé l'assemblage de plusieurs composants pour une fonctionnalité équivalente.

Autre aspect largement favorable à la FA, c'est que ses propriétés mécaniques intrinsèques en statique sont souvent équivalentes, voire supérieures à celles des procédés classiques de fournitures des lopins métalliques tels que laminage ou fonderie.

Jean Guilhem, journaliste indépendant.
Jean Guilhem, journaliste indépendant.
(Source : Jean Guilhem)

Pour pièces unitaires ou petites séries

Enfin la possibilité de personnaliser, sans surcoût, une pièce est l'un des autres avantages de la FA car il lui est possible de fabriquer des éléments uniques, personnalisées, différents en un même cycle de production sur une même machine. Seul, le travail en amont sur les fichiers 3D va différer. Cette capacité est remarquable notamment pour le secteur médical, où chaque prothèse, par exemple, doit être exactement adaptée à la morphologie d'un patient donné.

La FA est apte aussi pour fonctionnaliser certaines surfaces, optimiser la gestion de liquides ou de gaz avec un raccourcissement des délais de fabrication.

Cependant, elle ne s'improvise pas vu l'investissement machine, la faible productivité des procédés, les opérations de post traitement et la formation des opérateurs. Les coûts de la FA restent un facteur limitant malgré les améliorations constantes apportées aux différents matériaux de base (fils, poudres, barres), aux unités et à leur environnement car l'investissement machine, les moyens nécessaires associés, logiciels d'études, périphériques, moyens de post-traitement (détensionnement, découpe des supports provisoires de fabrication, nettoyage, traitements thermiques, finition de surface), maintenance des unités de production, aménagement des locaux, gestion des risques, de l'hygiène (manipulation de poudres, fumées…) et naturellement formation de techniciens et ingénieurs ne sont pas à négliger.

Cependant, les progrès technologiques constants du secteur favorisent l'utilisation de la FA métallique pour les pièces unitaires ainsi que pour des séries restreintes.

Informations additionnelles
Focus
L'additif par ultrasons

Ces vibrations provoquent des échauffements locaux et des diffusions de matière en phase solide à l'interface des pièces à assembler. Le principe sert à élaborer un volume à partir de feuillards. Bien que des pièces de 1500 mm par 1500 mm par 600 mm soient envisagées, les dimensions des composants actuellement fabriqués restent inférieures à 500 mm.

Applicable à tous les métaux, il est séduisant pour l'ajout de fonctions sur des pièces existantes et par l'intégration de capteurs de type fibres dans une pièce métallique. En outre, il est aussi possible d'associer divers feuillards de nature différente (Al/Cu, Al/Fe...) afin de créer des éléments multi matériaux.

Étape unique, étapes multiples

Une première catégorie de procédés à étape unique regroupe la fusion sur lit de poudre (PBF), fusion qui peut être réalisée avec un laser ou par faisceau d'électrons. Autre branche des procédés à étape unique, celle du dépôt métallique sous flux d'énergie concentrée (DED) soit appliquée aux poudres (cladding), soit sous forme de fil métallique comme pour le soudage (WAAM). Le « Metal binder jetting » est le dispositif de FA métallique à étapes multiples.

Quelque soit le procédé, les caractéristiques du métal d'apport (chimie, granulométrie, porosité, densité…) conditionnent le bon déroulement de chaque méthode de fabrication.

Certains fournisseurs de machines proposent l'approvisionnement des poudres ou des fils adaptés aux caractéristiques de leurs unités de production ainsi qu'à leurs stratégies de stockage et de recyclage. Sensiblement plus onéreuse, cette option sécurise l'utilisateur.

Complexe, longue et coûteuse à maîtriser, la fusion laser sur lit de poudre, « Power Bed Fusion Laser Beam Metal » (PBF-LB-M) est la technologie la plus répandue. Elle permet de solidifier de façon ciblée avec beaucoup de précision de la poudre métallique ayant une granulométrie comprise entre 20 et 45 µm pour des épaisseurs de couche de 20 à 100 µm. Le faisceau laser principalement de type fibre ytterbium (Yb) d'une puissance comprise entre 200 et 1000 W, orienté par des miroirs, balaye chaque section de pièce à réaliser en soudant les microparticules entre-elles sur plusieurs strates.

La cinétique du procédé est extrêmement rapide pour des gradients thermiques de l'ordre de 3000 °C/mm et des vitesses de chauffe et de trempe de l'ordre de 105 °C/s. Cette énergie fond la fine poudre métallique de la couche en construction qui s'agglomère aux couches inférieures. La longueur d'onde du faisceau influe sur la quantité d'énergie que le matériau absorbe et la microstructure de chaque élément de volume de pièce est impactée par l'histoire thermique complexe de la construction de la pièce à réaliser.

La fabrication débute sur un plateau support. Une fois la pièce terminée, une découpe sera nécessaire pour la séparer de son support. Une importante phase de nettoyage consiste, ensuite, à éliminer puis à recycler la poudre métallique non utilisée.

Informations additionnelles
Focus
Tout commence au bureau d'études

Dans ce cadre, il est nécessaire d'établir un cahier des charges fonctionnel, point de départ d'une nouvelle pièce élémentaire ou d'un nouveau composant complexe, par exemple, en y intégrant des parois minces ou des structures lattices.

La fusion (laser ou faisceau d'électrons) sur lit de poudre propose ces fonctions et ces capacités d'optimisation géométriques et mécaniques (allégement, rigidité, optimisation topologique…) ainsi que physiques (échanges thermiques ou possibilités de gestion fluidique).

Souplesse de fabrication, délais, prix sont, bien entendu, des données incontournables pour une prise de décision d'investissement technico-économique pour le choix d'une option additive.

Pour la conception, des logiciels de CAO 3D actuellement disponibles, génèrent des fichiers volumiques transformés en fichiers tranchés (Slice Layer Interface). À ce stade, il s'agit d'optimiser formes et répartition de la matière en fonction de plusieurs règles relatives à la résistance des matériaux, aux zones de remplissages, aux contours et surfaces externes, à la gestion d'évacuation de la poudre, à la gestion des supports provisoires, aux épaisseurs minimales des parois, à la taille des alésages, des angles et autres géométries spéciales, bref, comme pour tout procédé de fabrication, l'additif impose que la conception soit tributaire du mode de fabrication additive retenu car la maîtrise de ces nouveaux procédés est essentielle pour leur intégration dans le « design » d'un élément ou composant nouveau.

Enceinte sous vide et préchauffage

Ce procédé relativement lent affiche avec une productivité de l'ordre de 15 cm3/h pour une machine à laser unique de 400 W. Afin d'augmenter la productivité, les constructeurs développent des machines à lasers multiples avec deux, quatre voire même 12 lasers (voir encadré) qui vont balayer soit des zones indépendantes soit qui vont opérer en parallèle sur une même surface.

Exigence du procédé, certaines géométries de pièces nécessitent des supports de fabrication. Éliminés en fin de cycle, ces supports dissipent la chaleur, maintiennent les faces en contre-dépouille et anticipent sur certaines déformations provenant des contraintes résiduelles qui apparaissent durant la solidification du métal.

Comme le spot laser se déplace à une vitesse de l'ordre d'un mètre par seconde, les vitesses de refroidissement sont rapides, avec des solidifications qui engendrent des contraintes résiduelles. Pour s'en affranchir, les constructeurs maintiennent la chambre de travail à 200 °C environ et préconisent des stratégies spécifiques de lasage (en bandes, en damiers…).

En fin de fabrication, chaque pièce nécessite un post traitement thermique de façon à relaxer toutes ces contraintes résiduelles.

Une fois terminée, malgré la formidable précision du système, l'ébauche de la pièce sera terminée par des usinages précis et du polissage.

Vu ses coûts élevés, la fusion laser sur lit de poudre reste réservée aux pièces à forte valeur ajoutée qui souvent, nécessitent un long processus de développement.

Cousine du (PBF-LB-M), la fusion par faisceau d'électron est réservée à la transformation de poudres métalliques ayant une bonne conductivité électrique car la source d'énergie provient d'un faisceau d'électrons de 3 kW à 6 kW. Celui-ci est issu du chauffage d'un filament de tungstène. Son flux est ensuite accéléré par un champ électromagnétique. Le pilotage du faisceau (position et forme) est assuré par des bobines magnétiques. Le diamètre du spot varie de 100 à 400 µm et la fusion des grains de poudre s'opère par un effet joule très concentré pour des épaisseurs de couches de 50 à 100 µm. Champion de la vélocité, le faisceau d'électrons se déplace à très haute vitesse (jusqu'à 8000 m/s), ce qui autorise la fusion sur plusieurs zones en même temps. Indispensable, l'utilisation d'un faisceau d'électrons impose la mise sous vide de l'enceinte de fabrication entre 10-3 et 10-5 mbar. Autre particularité, la poudre est préchauffée (entre 600 à 750 °C) afin de fritter légèrement le lit de poudre.

Informations additionnelles
Focus
Flux d'énergie concentrée de grande capacité

Sur cette unité, deux torches laser travaillent simultanément lorsque l’espace de déplacement est suffisant ou individuellement, pour des parties plus concentrées. Chaque torche laser animée en 3D projette coaxialement un cordon de poudre métallique en fusion sur un support puis sur la couche précédente de façon à concrétiser la pièce à réaliser.

L’alimentation en poudres métalliques des deux torches offre aussi la possibilité d’agencer plusieurs matériaux entre-eux, grâce à des alimentations qui se combinent au niveau de chaque torche ou encore de faire varier le gradient d’un composant au fur et à mesure de sa fabrication. Autrement dit, il est possible avec cette machine de concevoir des structures hybrides constituées de plusieurs matériaux ayant des compositions et structures différentes, processus quasi impossible à envisager en dehors de la FA par projection de matière.

Cette jeune entreprise, créée en 2013 basée en Alabama (USA) aligne également une unité de moindre capacité (1219 x 1219 x 600 mm) qui, fondée sur le même principe a déjà fait ses preuves auprès des industriels US, notamment General Electric et Barnes Aerospace.

Dépôts à gradients, possible avec le DED

Ce préchauffage élimine les contraintes résiduelles et favorise le maintient des pièces durant leur formation. L'épaisseur des couches varient entre 45 et 105 µm pour une granulométrie comprise entre 45 et 105 µm. De façon à garantir la qualité métallurgique des pièces, la fin du cycle se termine par un refroidissement de l'enceinte à l'hélium.

Avec ce précepte, la productivité de fabrication est importante, de l'ordre de 80 cm3/h. Les principaux matériaux utilisés sont le titane et ses alliages, le TiAL et d'autres métaux tels les Co-Cr, les Inconels, le Cu et différents aciers. Cependant, la granulométrie des poudres utilisées (45-105 µm), les épaisseurs de couches et la taille du spot entraînent un état de surface plus grossier qu'en fusion laser de poudre.

Les dépôts de métaux sous flux d'énergie concentrée ou DED (Direct Energy Deposition), sont classés en deux familles, alimentation sous forme de poudre ou alimentation sous forme de fil. Au niveau de la torche, l'énergie thermique focalisée provient soit d'un laser, soit d'un faisceau d'électrons, soit d'un plasma, soit d'un arc électrique. L'apport métallique est réalisé coaxialement ou latéralement à la source d'énergie (torche).

Le dépôt est réalisé sous vide avec le faisceau d'électrons, sous protection gazeuse localisée ou sous inertage de l'enceinte de fabrication lorsqu'un système est intégré dans uns structure robotisée ou dans une enceinte type machine-outil.

Les gradients thermiques très importants de ces procédés exigent systématiquement des opérations de relaxation à cause des fortes contraintes résiduelles. En outre, ces contraintes nécessitent des stratégies spéciales de programmation des trajectoires de torche. En effet, elles prennent en compte ces déformations dues aux concentrations de chaleur afin de les anticiper.

Concernant le DED poudre, l'injection se fait coaxialement au faisceau, ce qui facilite les dépôts multidirectionnels. En réparation et maintenance, cette technologie sert également au rechargement des pièces usagées.

L'option DED poudre autorise des dépôts à gradient via plusieurs distributeurs. Uniques, ces matériaux à gradient présentent une composition chimique, des microstructures donc des caractéristiques mécaniques susceptibles de varier graduellement au cours de la fabrication du composant. Ils associent les avantages de plusieurs matériaux en un seul élément pour mieux encaisser la corrosion, la température et l'usure ou à la fatigue.

Plus larges (1 à 5 mm) que hauts (0,3 à 2 mm), les dépôts sont en acier inoxydable, en aciers à outils, base cobalt, base nickel, alliages de titane et composites à matrice métallique.

Informations additionnelles
Focus
Douze lasers pour la NXG XII 600 de SLM Solutions

À ce titre, sa capacité de production est 20 fois plus rapide que celle d'une machine à laser unique du type SLM 280 du constructeur allemand avec un taux de déposition jusqu'à 1000 cm3/h soit une productivité de l'ordre de 10 tonnes de pièces en une année.

Les difficultés résolues par les ingénieurs de la firme de Lübeck ont été multiples notamment en termes de trajectoires afin que les lasers n'empiètent pas les uns sur les autres, mais aussi pour contrôler projections de poudre et émissions de fumées lorsque la machine est en cours de fonctionnement.

Pour maîtriser ces difficultés, SLM Solutions a mis au point un système spécial de circulation d'air dans la zone de travail qui coordonne les tirs lasers et l'évacuation des fumées. Par ailleurs les fortes températures générées par les 12 lasers dans la chambre de production sont contrôlées par un flux de gaz protecteur (azote, argon, hélium…).

Parmi les fonctionnalités de la machine, on retiendra la fonction « zoom », un système à double lentille permettant aux utilisateurs de choisir entre différentes taille de spots lasers. Ainsi, un spot plus concentré sera retenu pour les contours et surfaces des pièces et un spot plus large pour une impression 3D plus rapide sur les zones internes à construire. En outre, cette fonction autorise des travaux sur un plus vaste éventail de matériaux.

« Avec une puissance laser installée de 12 kW, nous réalisons une révolution majeure pour l'additif métallique et la production en général avec la possibilité d'intégrer la FA en tant qu'élément d'une chaîne d'approvisionnement », souligne Sam O'Leary, COO de SLM Solutions.

Autres informations :
slm-solutions.com

Friction rotative ou projection

Par rapport aux autres techniques de fabrication additive métallique, le DED fil est champion de la productivité en déposition. Il utilise soit un laser (diamètre de fil entre 0,2 et 1,2 mm), soit un faisceau d'électrons (travaux sous vide avec un diamètre de fil entre 1,2 et 4 mm) soit un arc électrique (MIG-MAG, TIG). On y a recours pour la fabrication d'ébauches à partir de matériaux à forte valeur ajoutée (cf encadré WAAM) et pour des ébauches de grandes dimensions réalisées sous protection gazeuse localisée pour maîtriser les risques d'oxydation.

Dernièrement, l'Irepa Laser (France), avec sa technologie DED Clad (fusion laser), a réalisée une grande pièce en inox (117 kg) en 70 heures.

Le DED-Fil plasma affiche un taux de déposition de 1,8 kg/h, celui du DED-Fil-Tig, 1,5 kg/h et celui du DED-Fil-électrons, jusqu'à 10 kg/h. Ces technologies DED fil sont intéressantes car elles utilisent des métaux d'apport sous forme de fils normalisés aptes à être déposés en multi passes par des torches assez compactes, manipulables en 3D par des robots poly articulés cinq ou six axes pour des coûts modérés. Cependant, ces fabrications additives nécessitent impérativement des post-traitements de détensionnement avant finition en usinage conventionnel.

Pour résumer, la fusion laser ou par faisceau d'électrons sur lit de poudre permet des formes géométriques fines et complexes alors que les technologies de dépôt DED, bien moins précises concernent la génération d'ébauches de grandes dimensions, le rechargement, la réparation ou l'ajout de fonction sur des pièces existantes.

Les soudages par friction rotative ou friction linéaire sont aussi des moyens de fabrication additive pour les métaux. Toujours en développement et bien adapté aux alliages d'aluminium, le procédé de friction malaxage (dérivé du Friction Stir Welding), permet, via une machine et un outillage spécial, de générer, uniquement par friction, une liaison métallurgique forte entre les interfaces à assembler. Cette technologie très prometteuse sert à fabriquer des ébauches de pièces sans passer par la fusion du métal d'apport.

Enfin, le « cold spray », initialement issus d'un procédé de projection de revêtements complète les procédés de FA métallique à simple étape. Il consiste à utiliser l'énergie cinétique de microparticules métalliques projetées à vitesse supersonique (de 100 m/s à plus de 2500 m/s) sur un substrat ou sur des couches précédentes.

Pour tout matériau donné, il y a une vitesse d'impact des particules qui va constituer, en fonction des passes successives, un dépôt relativement dense. Plomb, étain, or, argent, zinc, cuivre, tantale, niobium, zirconium, aluminium, nickel, fer, acier, inconel, magnésium, titane… sont susceptibles d'être projeté par une buse de « cold spray ». Certains fabricants de machines-outils intègrent maintenant ce procédé au sein de la zone d'usinage afin de donner naissance à des pièces complexes multi matériau.

Informations additionnelles
Focus
Objectif « WAAM » pour des performances maximales avec le titane

Maîtrisée en Allemagne par le sous-traitant aéronautique Aircraft Philipp, cette technologie sert à réaliser des préformes d'aérostructures en titane. Vu sa résistance mécanique rapportée à sa faible masse, le titane est indispensable aux fabrications des aérostructures. Environ 15 % des composants métalliques d'un A320 sont en titane, une tendance qui devrait croître dans les années à venir. En revanche, ce métal est onéreux (environ 4,79 € le kilo) et, jusqu'à présent, de nombreuses pièces d'aéronefs sont taillées dans la masse avec une perte considérable de matière première (de l'ordre de 90 %).

Aircraft Philipp a choisi de réaliser ses ébauches en titane à partir du procédé WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) pour cette raison, afin de réaliser une épargne considérable sur ses approvisionnement en matière première. En effet, le WAAM consiste à déposer des cordons de titane par soudage à l'arc, en passes successives, sous atmosphère d'argon, de manière à réaliser les ébauches d'aérostructures.

La succession de couches métalliques en fusion exactement positionnées dans l'espace engendre, une fois refroidies, la préforme de l'élément à créer. Celui-ci sera ensuite usinée avec précision par fraisage traditionnel avec un minimum de copeaux, donc de pertes financières. De plus, les propriétés finales d'une pièce ainsi obtenue sont au moins équivalentes voir supérieures à celles d'une pièce identique obtenue en fonderie.

« La fabrication de la préforme se montre encore plus intéressante et plus économe que le « cladding » (procédé additif par dépôt de poudre de titane au sein d'une torche laser). En outre, le métal est approvisionné en bobines sous forme de fil pour le WAAM, ce qui facilite stockage et manipulations avec pratiquement 100 % du métal transformé », explique Markus Pichler, ingénieur de production chez Aircraft Philipp.

Fort d'un budget de 4 M€ pour sa R&D au sein du projet Regulus parrainé par le gouvernement fédéral allemand, Aircraft Philipp et ses partenaires dont la FAU (Friedrich Alexander University d'Erlangen), Gefertec, constructeur de machines et Fronius, spécialiste du soudage ont réalisés une vaste campagne expérimentale vouée à maîtriser cette nouvelle méthodologie en réalisant de multiples ébauches en titane.

Concrètement, la firme bavaroise exploite une machine cinq axes (fabriquée à Berlin), équipée d'une tête de soudage, afin de tester puis maîtriser tous les paramètres et exigences du système. La machine avec ses équipements de confinement sous gaz inerte, de ventilation et d'extraction des fumées avec un accès à la zone de travail au niveau du sol autorise une production de composants métalliques jusqu'à 0,8 m3 pour une masse maximale de 500 kg.

Sur cet ensemble, la tête WAAM associe une buse de soudage spécialement étudiée pour alimenter un bain de fusion ponctuel à partir d'un fil métallique formé par arc électrique sur un substrat. Pour protéger le bain de soudure, chaque cordon de titane est déposé sous atmosphère d'argon injecté sous pression dans la tête de soudage à raison de 50 à 60 litres par minute.

En fonction de l'objet à créer, l'épaisseur des couches varie d'un millimètre et demi à trois millimètres avec un taux de déposition maximal de 600 cm3/heure.

L'arc électrique est assuré par un générateur Fronius et le pilotage de l'ensemble est orchestré par une commande numérique Siemens 840 Dsl.

Pour un investissement raisonnable, le procédé réduit les pertes de matière première, mais aussi le nombre d'étapes (fabrication du brut, stockage, ébauche, finition…). Une fois maîtrisé, il offre plus de liberté de conception et une vitesse de fabrication élevée.

« Nous sommes capables de réaliser, de façon reproductible, 22 pièces d'avions avant de les finir avec nos moyens conventionnels de fraisage », indique Markus Pichler.

« Les chiffres parlent d'eux même. Ainsi, pour un élément de support de réacteur d'avion régional de 772 mm de long sur 230 mm de large et 25,4 mm de hauteur, le ratio « Fly to buy » est passé de 10 à 2. La pièce finie fabriquée de façon conventionnelle à partir d'un bloc de 36 kg de titane pèse 2,5 kg une fois taillée dans la masse soit plus de 160 € de matière dilapidée (33,5 kg de copeaux).

Ébauchée en WAAM avec du fil de diamètre 1,2 mm, en 2,25 h, la masse de la préforme se révèle très proche de celle de la pièce finie avec seulement 2,7 kg en fin du cycle WAAM. Au final, après finition, seuls 200 grammes de copeaux auront été perdus.

Ces résultats et essais sur d'autres configurations de pièces montrent systématiquement des gains supérieurs en coûts de 55 % par rapport aux méthodes traditionnelles d'usinage dans la masse », poursuit-il.

« Cette méthodologie basée sur le soudage à l'arc, associé au déplacement numérique en trois axes (X, Y et Z) ou cinq axes de la tête de déposition WAAM est parvenue à maturité. Nous construisons chaque ébauche avec des tolérances géométriques de quelques dixièmes de millimètres tout en faisant une métallurgie localisée dans le bain de fusion aux environs de 1700 °C. La capacité du titane à emmagasiner la chaleur est favorable au procédé car l'homogénéité du cordon de soudure doit être irréprochable sans inclusion ou porosité sachant que la qualité des microstructures est primordiale pour la tenue des pièces en fatigue. Par ailleurs, il ne doit pas y avoir de risque de délamination entre les passes successives en fonction de la taille du spot (1,7 mm environ) avec des épaisseurs de cordons compris entre deux et quatre millimètres. Comme il n'existe pas encore de spécifications, nous devons prouver que cette technologie est fiable suivant différentes stratégies de soudage en fonction des géométries d'ébauches à fournir », précise de son côté Daniel Elitzer, ingénieur en science des matériaux à l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg.

À terme, études et essais vont déboucher sur un système complet qui, à partir d'une CAO sur Catia, avec d'éventuelles imbrications de pièces sur un même support, doit intégrer toutes les étapes de la fabrication d'un élément, depuis la simulation de l'ébauche WAAM, sa réalisation, son inspection, un éventuel traitement thermique, l'usinage de finition et sa réception finale en métrologie.

Maîtiser le retrait du MBJ

Seul procédé multi-phase de l'additif métallique, le Metal Binder jetting (MBJ) se déroule en deux étapes. Tout d'abord la fabrication d'une pièce « à vert » qui consiste à déposer des strates de poudre métallique sur lesquelles est projeté, comme avec une imprimante classique, un liant organique sur la section à créer d'une pièce en volume.

La consolidation de cette première étape est assurée par un d'étuvage qui durci le liant donnant naissance à une pièce « à vert » que l'on peut, manipuler puis nettoyer de la poudre inutile qui sera recyclée.

Ensuite, une phase de déliantage élimine le liant organique et ne laisse qu'une pièce métallique à la porosité élevée, de l'ordre de 35 à 40 %. Un frittage final à une température comprise entre 80 et 90 % de la température de fusion du métal est appliqué à la pièce dans un four ce qui provoque la coalescence des grains de poudre métallique.

Durant ce traitement thermique, la porosité diminue et la densité augmente avec un retrait quasi homogène d'environ 14 à 16 % tout en gardant les proportions de l'élément obtenu. Selon la géométrie de la pièce, un support de frittage sera nécessaire pour soutenir des parois en porte à faux ou pour accompagner le retrait de la pièce durant le frittage.

Le MBJ rend possible les formes particulièrement complexes y compris de type lattices. L'absence de supports soudés le rend compétitif vis-à-vis des procédés de fusion sur lit de poudre.

Intéressant pour les moyennes séries, avec de bons états de surface et des pièces très homogènes, il permet d'accéder à des nuances de matériaux déjà utilisés en métallurgie des poudres. Sans fusion, il autorise une production à l'ambiante sans nécessité d'inertage ou de mise sous vide.

En revanche, vu son retrait dimensionnel important, à maîtriser dès la conception, le défi du MBJ concerne la taille des pièces et plus un élément sera volumineux, plus il sera délicat de maîtriser ses tolérances dimensionnelles. Aussi les applications courantes ne dépassent pas 400 g. Naturellement, anticiper le retrait demande beaucoup d'expérience et de nouvelles compétences à acquérir. Affaire à suivre ! MSM

(ID:47600531)