Tout savoir sur la fabrication additive

Les 9 procédés de l'additif métallique

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

Piéces obtenues sur machine Desktop.
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Piéces obtenues sur machine Desktop. (Source : Jean Guilhem)

Pour créer des pièces métalliques compactes, les nouvelles technologies additives font appel aux poudres métalliques avec une nette évolution qui s’oriente désormais vers les fabrications en séries.

Pour les grandes pièces fines et complexes, la déposition métallique est effectuée sous forme de cordons de soudure superposés alimentés sous forme de fils en bobines. Comme tout nouveaux procédés industriels, l’additif métallique décliné sous neuf procédés différents favorise des fabrications rapides et flexibles de pièces unitaires, en petites et moyennes séries directement à partir de fichiers CAO.

Liberté géométrique, intégrations de fonctions, allègement des composants, le processus devient une voie majeure en conception et réalisation avec des gains de temps considérables vu la simplification des gammes de fabrication et d’usinage.

Autres atouts, la réduction de masse car l’additif dépose le métal exactement là où il est nécessaire d’où l’intérêt des ingénieurs et concepteurs qui envisagent des pièces au plus juste coût. Dans certains secteurs comme l’automobile, les gains sont immédiats et plus encore dans l’aéronautique, avec l’utilisation de matériaux onéreux, inox, inconel, titane… l’additif est un réel facteur d’économies car il limite les déchets de façon spectaculaire.

En mécanique générale, la méthode est absolument révolutionnaire dans la mesure où l’on n’usine plus avec des pertes car son principe consiste à déposer le métal nécessaire uniquement là où il se doit pour encaisser les contraintes où elles se concentrent avec une autre approche en conception dès les bureaux d’études.

En fonction de la méthodologie retenue, la matière première se présente en vrac sous forme de poudres ou de fils métalliques approvisionné en continu.

La première famille, regroupe les machines SLM (Selective Laser Melting) ou laser sur lit de poudre. Par strates de quelques microns, des milliers de couches 2D sont fusionnées par un spot laser de 80 à 120 µm se déplaçant à environ 10 m/s. Empilées, elles forment la pièce en 3D. L’opération s’effectue dans une enceinte sous atmosphère contrôlée chauffée entre 200 et 700°C suivant les métaux.

Pièces précises relativement compactes

Le procédé procure des pièces avec une précision de quelques centièmes pour des états de surface remarquables. Addup, Renishaw, EOS, Trumpf, SLM Solution et Concept Laser sont les principaux acteurs du secteur. Comme ces unités affichent un taux de déposition inférieur à 120 cm3/h, les constructeurs alignent maintenant des machines ayant une capacité plus grande, (jusqu’à 800 mm x 400 mm x 500 mm) avec plusieurs lasers capables d’opérer soit de façon conjointe sur une même zone soit sur des zones différentes sans recouvrement. Pénalisées par leur relative lenteur, ces unités, en revanche servent à créer des éléments complexes, très ouvragés comprenant des cavités avec une excellente précision et une faible rugosité superficielle. Les atouts de cette technologie sont retenus par des acteurs exigeants comme les constructeurs de moteurs d’avions, de lanceurs spatiaux ou par des constructeurs de turbines à gaz.

Ainsi ArianeGroup a retenu la technologie SLM pour fabriquer le cœur du moteur Iox-méthane Prometheus qui va équiper les futurs lanceurs européens.

Cousine de cette première famille, l’EBM (Electron Beam Melting) développé par le suédois Arcam travaille aussi sur un lit de poudre de quelques microns. Ici, la fusion est réalisée par un faisceau d’électron qui opère sous vide. Le taux de déposition est meilleur qu’en SLM, mais précisions et rugosités s’en ressentent avec des strates d’environ 100 µm. Comme pour le SLM, superalliages nickel, tungsten, CoCr (alliages chrome cobalt), aciers inox et « metal matrix composites » sont envisageables avec l’EBM.

Dernière née, l’Arcam Spectra H, est encore plus productive grâce à un faisceau d’électrons plus puissant (spot de 140 µm) et à une industrialisation poussée. La machine disponible fin 2018, présente un volume d’impression de 250 mm de diamètre pour 430 mm de hauteur. Elle est dotée d’un faisceau d’électrons auto-calibré de 6 kW qui réduit de moitié la durée des étapes de pré et post chauffage avec une vitesse d’impression augmenté de 50% par rapport aux unités de génération précédente. Sa nouvelle procédure de stratification diminue les besoins en chauffage ponctuel et un calibrage automatique fait gagner du temps avec un processus d’étalonnage ramené à 15 minutes.

Outre certaines applications industrielle ou dédiées à l’automobile, SLM et EBM sont utilisée pour les moules à canaux chauds ou froids de la plasturgie ainsi que pour des pièces précises relativement petites et complexes, injecteurs de réacteurs, ailettes et disques de compresseur, chambre d’injection, distributeurs et systèmes hydrauliques, pièces de liaison d’aérostructures dans le secteur aéronautique.

Auteur de l'article : Jean Guilhem, journaliste indépendant.
Auteur de l'article : Jean Guilhem, journaliste indépendant. (Source : Jean Guilhem)

Phase de façonnage puis frittage

Autre procédé à partir de poudres, la technologie du cladding ou encore LMD (Laser Metal Deposition) développé par Trumpf, BeAM (récemment acquis par Addup), DMG MORI, Mazak, Matsuura, Sodick ou Hermle, se résume à la projection de poudres métalliques qui sont fondues au sein d’une torche laser pour former des strates métalliques d’environ 0,8 mm. Le cordon se solidifie avec un taux de déposition jusqu’à 250 cm3/h. Moins précis que les machines travaillant sur lit de poudre, le cladding est plébiscité pour la réparation par rechargement métallique des pièces usées, stratégie largement utilisée en aéronautique par Chromalloy pour la maintenance des composants de réacteurs.

Depuis plusieurs années, Trumpf propose aussi cette solution pour rénover et recharger des outillages usés pour réaliser des pièces en grande série pour la tôlerie et la plasturgie.

En outre, cette technologie offre la possibilité de réaliser des éléments à variation de gradient, procédé qui permet de fabriquer des pièces aux caractéristiques chimiques et mécaniques évolutives. Ce gradient de matière est obtenu par une injection différentielle de poudres, de manière contrôlée, à partir de plusieurs distributeurs, option qui autorise la création sur-mesure d’alliages non commercialisés, alliages binaires ou métaux à haute entropie. L’utilisation de matériaux à gradient de fonction (FGM) est aujourd’hui un élément de fabrications multi-matériaux. Par ailleurs, plusieurs expériences de pièces hybrides associant le SLM puis cladding sur un même élément ont démontré la complémentarité des deux procédés.

Enfin le Metal Blinder Jetting (MBJ) concerne les moyennes et grandes séries de petits objets complexes. Développé par le suédois Digital Metal, il s’agit d’une imprimante 3D à projection de liant qui imprime en continu, dans un premier temps, des couches de 42 µm à la cadence de 100 cm3/h dans un volume de 2500 cm3. Les géométries et états de surface sont soignés avec une résolution de 35 µm et une rugosité (Ra) de 6 µm. Mais, une seconde opération est nécessaire car, après avoir éliminé le liant par combustion (déliantage), les pièces sont consolidées puis densifiées dans un four de frittage (pour des températures jusqu’à 1400° C) afin d’obtenir un composant mécanique fonctionnel.

Dans le sillage de Digital Métal, les ténors américains Stratasys, Hewlett Packard, GE Additive et Desktop Metal développent leurs propres procédés à base de jets de liant afin d’envisager l’additif métallique en grandes séries.

Avec le MBJ les techniques de fusion (par laser ou par faisceau d’électrons) sont évincées. En effet, alors que la fusion sur lit de poudre combine en une seule opération fabrication plus métallurgie, le MBJ dissocie la partie façonnage de la pièce de l’apport thermique final réalisé par frittage.

Les avantages du MBJ sont nombreux. Il y a tout d’abord une forte amélioration de la productivité avec des pièces qui peuvent être empilées sur plusieurs étages et des vitesses de fabrication très élevées comparativement aux techniques SLM et EBM. L’absence de supports de pièce supprime tous les coûts qui leurs sont liés (matière perdue, temps machine puis enlèvement en « post process »).

Fluide thermique Breveté

Cette simplification génère des gains économiques remarquables. En outre, le MBJ permet d’utiliser des matériaux peu ou pas soudables (acier alliés, aciers à outils,…) et aboutit à un meilleur état de surface. Enfin, contrairement à la fusion laser ou par faisceau d’électrons qui entraînent une rugosité importante notamment pour les trous, les taraudages et les filetages, il est envisageable dans certains cas de fabriquer directement ces agencements fonctionnels sans reprise d’usinage.

Le Cetim (Centre Technique des Industries Mécaniques) a effectué un comparatif sur une même pièce (diamètre de 20 mm et hauteur de 23 mm) fabriquée par fusion laser de poudre SLM puis sur la machine MBJ de Digital métal. Sur 1000 pièces, le temps de production en fusion laser revient à 1 130 heures pour un prix unitaire par pièce compris entre 70 à 80 €. Avec la technique « Metal Binder Jetting », on passe à une durée de production d’environ 200 heures avec un prix de revient de 10 à 20 € par pièce.

Pour Dominique Ghiglione, Responsable R&D en matériaux et procédés de fabrication au Cetim, « le MBJ n’est ni plus ni moins qu’une préparation très rapide, très automatisée donc très productive et rentable des pièces avant frittage dans le cadre parfaitement maîtrisé de la métallurgie des poudres. Son intérêt est évident pour la fabrication en série de petits éléments à relativement faible valeur ajoutée ».

Les acteurs du secteur font la même analyse. Expert des impressions 3D à base de polymères Stratasys, s’est lancé cette année dans l’impression 3D métallique. Son système dénommé LPMTM pour « Layered Powder Metallurgy », variante du MBJ, comprend l’impression du solide à créer avec un fluide thermique brevetée, pulvérisée sur la couche de poudre compactée. Conçue de façon linéaire, la première étape consiste à étaler uniformément la poudre. S’en suit son compactage. Puis, l’encre thermique est finement déposée en un seul passage pour dessiner les contours d’une strate de la pièce. Le processus est répété couche après couche jusqu’à l’obtention du volume final.

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