Tout savoir sur la fabrication additive

Les 9 procédés de l'additif métallique

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

Imprimante métal à 399'000 $

Le plateau de construction subit ensuite un « déparaffinage » de quelques minutes. En dehors de la machine de préparation, la dernière phase consiste en un frittage, de manière densifier la pièce. Stratasys qui reste discret sur le volume de construction et la résolution, évoque cependant, la fabrication de préséries en petits lots avec des pièces légères et personnalisées destinées à l’industrie, à l’automobile, à l’aérospatiale et à la défense. Côté matériaux, le système permettra dans un premier temps d’imprimer des composants en aluminium, avant de se tourner vers d’autres poudres métallurgiques d’usage courant.

Autre grand nom de l’impression 3D, Hewlett Packard fait son entrée sur le segment plus difficile de l’additif métallique. Son procédé d’impression reprend les fondamentaux qui ont fait le succès de sa technologie « Multijet » pour les polymères. Présentée durant l’IMTS de Chicago 2018, son imprimante 3D métal sera, dans un premier temps, réservée à quelques partenaires, avant d’être livrée aux premiers utilisateurs à l’horizon 2020.

Avec un plateau d’impression de 430 x 320 x 200 mm, une quadruple redondance des buses et une double redondance des barres d'impression combinées, elle utilise un liant très léger. Cette technologie se montre jusqu’à 50 fois plus productive que l’existant (SLM ou EBM), tout en réduisant les coûts par deux.

Les premiers tests effectués sur des pièces imprimées révèlent qu’elles sont parfaitement isotropes, (propriétés mécaniques identiques dans toutes les directions).

Annoncée pour 399'000 $, cette imprimante à jet de liant fonctionne, pour le moment, avec de la poudre d’acier inoxydable. Mais, en partenariat avec le fournisseur de poudres GKN Powder Metallurgy et en fonction des demandes et des certifications, d’autres matériaux seront ajoutés comme le titane.

Par ailleurs, HP affirme que sa technologie est évolutive avec des versions plus grandes qui pourraient voir le jour au fil du temps.

Egalement dévoilée cette année, Desktop Metal aligne le DM Production System dont l’objectif est de diviser par 10 le coût des machines de fabrication additive métallique en augmentant les vitesses de production. Cette unité est résolument conçue pour imprimer en 3D du métal en production de masse.

10'000 machines dans la décennie à venir

Le principe mis au point par la firme du Massachusetts dénommé « Single Pass Jetting » s’annonce comme 100 fois plus rapide et 20 fois moins onéreux que les systèmes actuels (SLM et EBM). Avec une vitesse de déposition de 8200 cm3/h, la machine imprime des composants en quelques minutes au lieu de plusieurs heures. Techniquement, l’imprimante utilise un plateau mobile bidirectionnel sur lequel un rouleau, situé de part et d’autre de la tête d’impression, dépose puis compacte la couche de poudre à chaque passage. Un liant est projeté, par la tête d’impression regroupant 32'000 micro-buses, de façon sélective afin de lier couche par couche le matériau. Après déliantage de la pièce, celle-ci passe au four de frittage qui donnera naissance à l’élément final.

Desktop Metal prévoit d’ores et déjà une trentaine de matériaux dont sept principaux, Alliage d’aciers, Cuivre, Low expansion Kovar F-15, Super Alliage Inconel 625, Acier Inoxydable 316L (Austenitic) et acier d’outillage H13.

Enfin, GE Additive a aussi révélé cette année, la H1, nouvelle unité de fabrication additive métallique. Encore à l’état de prototype, cette imprimante 3D grand format exploite le procédé à jet de liant MBJ. Selon les données du constructeur, ce système est à même d’imprimer de grandes pièces dans une large gamme de matériaux, y compris acier inoxydable, nickel et alliages de fer.

Présent partout dans le monde, GE envisage de livrer 10'000 machines de FA métallique dans la décennie à venir...

Alors, le MBJ va-t-il détrôner les méthodes de fusion laser (SLM) ou par faisceaux d’électrons (EBM) sur lit de poudre ?

« Certainement pas ! » reprend Dominique Ghiglione, responsable R&D en matériaux et procédés de fabrication au Cetim, « Il ne faut pas oublier que les procédés SLM et EBM sont deux technologies très matures avec des pièces en exploitation qui font quotidiennement leurs preuves. En outre, le MBJ engendre un rétreint thermique de 10 à 15% entre pièce à « vert » et pièce finie. Ce rétreint est à anticiper dès les études, ce qui complique la réalisation finale des pièces. En outre le MBJ est mal approprié pour tout ce qui est structures lattices et géométries complexes » poursuit-il.

Dépôt jusqu’à 100 grammes par minute

Dernier venu dans l’additif métallique à base de poudres métalliques, le Cold Spray. Développé au milieu des années 1980 pour la métallisation à froid, son principe est relativement simple. Il repose sur l'accélération d'un gaz chaud à l’intérieur d’une tuyère convergente-divergente qui transforme température et pression du gaz en éjection à vitesse supersonique. Il ne reste plus qu’à injecter dans le flux, des poudres qui vont se trouver propulsées à très haute vitesse.

Résultat : Positionnée entre 20 et 40 mm de la cible avec un angle de tir au plus près de la normale à la surface, la tuyère projette des micros grains accélérés aux environs de 1200 m/s. Cette pulvérisation à ultra haute énergie cinétique sur le substrat crée la fabrication additive car au-dessus d'une certaine vitesse, qui est caractéristique pour chaque matériau, les particules forment à l'impact un revêtement dense très adhérent. Il ne reste qu’à épaissir la déposition en passes successives millimétrées.

Les gaz utilisés sont l'air, l'azote ou l'hélium. L'utilisation de ce dernier permet d'atteindre de plus hautes vitesses mais demeure réservé aux matières les moins ductiles vu son prix élevé.

Le procédé élimine les contraintes de températures élevées des dépôts et substrats car le « cold spray » s’effectue dans un environnement qui ne dépasse pas 100°C, d’où son nom. Ainsi les effets de fusion, d'évaporation, de cristallisation, d'oxydations spécifiques aux projections thermiques sont tout simplement éliminés.

Pour chaque matériau les paramètres critiques sont la pression et la température du gaz ainsi que la distribution granulométrique de la poudre. En comparaison avec les procédés de fabrication additive métallique à partir de lasers ou de faisceaux d’électrons (SLM, EBM ou CLAD), les poudres du « cold spray » n’ont pas besoin d’une géométrie (sphéricité) particulière. Elles sont donc moins onéreuses.

Pour industrialiser le principe, la société australienne SPEE3D propose une petite machine qui intègre un robot six axes ABB capable de supporter la tuyère spéciale avec suffisamment de précision pour des déplacements continus en trois dimensions.

Le tout est installé dans une enceinte hermétique type machine-outil. Entièrement intégré, cet ensemble dédié aux alliages à base de cuivre ou d’aluminium permet de fabriquer des éléments jusqu’à 3 kg, avec des taux de déposition de l’ordre de 100 grammes par minute dans un volume de travail de 300 mm au cube. Sa finesse est fonction du spot qui affiche un diamètre de 4 à 7 mm.

Robot six axes et tête Waam

Economique et simple, ce procédé qui demande pas ou peu de chauffage du substrat affiche de multiples avantages notamment une densité du dépôt proche de la densité théorique du matériau massif, de faibles contraintes, de fortes épaisseurs de pièces, une rugosité faible pour le composant obtenu, un rendement matière de plus de 90 %, une adhérence au substrat équivalente à celle des procédés plasma et HVOF (traitement de surface par projection thermique) et une très bonne cohésion inter particules.

De plus, des poudres nanométriques conventionnelles suffisent pour une large variété de matériaux. Cependant, les matériaux compatibles avec le cold spray sont limités à ceux présentant une certaine ductilité ce qui exclut tous les oxydes et les carbures métalliques purs, les alliages durs comme certaines bases cobalt et bases nickel ainsi que des aciers fortement alliés. Néanmoins, des essais en laboratoires montrent la possibilité d’obtenir des dépôts hybrides avec des combinaisons de métaux dissemblables ou des composites métal (matrice) céramiques en utilisant des poudres bimodales spécialement élaborées.

Pour constituer les ébauches de plus grandes pièces (aérostructures), ou pour des outillages, concepteurs et ingénieurs s’intéressent aux machines travaillant par fusion d’un cordon métallique comme en soudage qui, lui aussi, sera empilé en plusieurs couches.

Pour les aciers à outils, les aciers haute résistance, les alliages d’aluminium, les alliages de titane ou les alliages à base nickel, tous déposés en 3D, Gefertec a mis au point la cellule Waam (Wire Arc Additive Manufacturing) qui s’articule autour d’un robot poly articulé six axes muni d’une tête Waam. La buse de soudage alimente un bain de fusion ponctuel avec précision à partir d’un fil métallique correspondant au métal d’apport pour un taux de déposition maximum de 600 cm3/h. Ce type de fabrication additive est envisagé par Stelia pour fabriquer des raidisseurs de panneaux de fuselages.

Usinage conventionnel systématique en finition

Le Waam est en fait une soudure à l’arc avec des pièces obtenues ayant des caractéristiques équivalentes à celles de pièces forgées. Par analogie, Prodways utilise ce principe sous la terminologie RAF pour Rapid Additive Forging. Encore à l’étape du prototype, il s’agit de déposer du métal en fusion en 3D sous une atmosphère de gaz inerte. En région toulousaine, Nexteam Group fournisseur d’Airbus et de Safran teste ce principe et envisage la fabrication en série de pièces de grandes dimensions pour avions.

Moins productif que le Waam mais plus poussé en précision d’apport d’énergie et de matière le CMT (Cold Metal Transfert) est envisagé par Addimadour pour façonner de grandes préformes complexes avec beaucoup de liberté et peu de déchets. La torche de soudage est montée sur le poignet d’un robot six axes capable de fabriquer des éléments de quatre mètres de long.

Breveté sous l’appellation RPD (Rapid Plasma Deposition) par Norsk Titanium, la firme aligne une machine capable de réaliser des ébauches d’aérostructures en titane de 900 x 600 x 300 mm avec un taux de dépôt variant de cinq à dix kilos par heure à l’aide d’une torche de soudage plasma sous atmosphère contrôlée d’argon.

Faire fondre un fil métallique par faisceau d’électron et le déposer avec précision dans une enceinte sous ultra vide, c’est la stratégie de Sciaky avec un taux de déposition de 3 à 9 kg par heure pour le titane, le tantale, l’inox, l’inconel, le tungstène et plus généralement pour tout métal soudable avec des détails de l’ordre du millimètre. Sous la dénomination d’EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing), le principe permet de fabriquer des éléments jusqu’à 5800 mm de longueur, 1219 mm de largeur et 1219 mm de hauteur. En enceintes confinées ou en cellule ouverte, ces machines affichent un fort taux de déposition. Elles sont envisagées pour créer des aérostructures complètes mais devraient aussi connaître de nombreux débouchés pour fabriquer des outillages spéciaux sur mesure avec un temps de réponse très court.

« Avec plus ou moins de précision, tous les procédés additifs métalliques à partir de faisceau d’électrons ou de lasers conjuguent mécanique et métallurgie pour la fabrication d’ébauches ou de préformes. C’est pour cette raison qu’un traitement thermique de détensionnement s’impose après ébauche du composant. En outre, un usinage conventionnel de finition sera systématiquement nécessaire pour finir chaque pièce » conclut Dominique Ghiglione. MSM

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