Les atouts des différents procédés utilisés dans l'additif métallique

Quels Procédés pour l’additif métallique ?

| Auteur / Rédacteur: Jean Guilhem, rédacteur indépendant / Jérémy Gonthier

Addimadour et Compositadour sont gérées par l'ISTIA.
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Addimadour et Compositadour sont gérées par l'ISTIA. (Source : )

Pour préformer des pièces métalliques compactes, les technologies additives font appel aux poudres. Proches du soudage, les machines utilisées pour ébaucher des grands éléments sous forme de cordons utilisent des fils métalliques en bobines.

L’additif métallique favorise des fabrications rapides et flexibles de pièces unitaires ou en petites séries 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 fabrications. Autres atouts, l’économie de matière car l’additif dépose le métal exactement là où il est nécessaire. Dans le cas d’utilisation de matériaux onéreux, l’additif est aussi un facteur d’économies en limitant les déchets. La méthode est révolutionnaire dans la mesure où son principe consiste à déposer le métal nécessaire exactement là où il se doit pour encaisser les contraintes avec une autre approche en conception dès les études.

En fonction des méthodologies, 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. Le procédé procure des pièces ayant une excellente précision avec 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. Pénalisées par leur relative lenteur, ces unités permettent en revanche, de créer des éléments complexes, très ouvragés comprenant des cavités.

Pièces hybrides

Cousine de cette première famille, l’EBM (Electron Beam Melting) développé par Arcam travaille aussi sur un lit de poudre ayant une granulométrie 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.

Autre procédé à partir de poudres, la technologie du cladding ou encore LMD (Laser Metal Deposition) développé par Trumpf, BeAM, DMG MORI, Mazak, Matsuura, Sodick, Optomec 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.

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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 concerne les moyennes et grandes séries de petits objets complexes. Développé par 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 6µm. 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 afin d’obtenir un composant mécanique fonctionnel.

Dépositions en cordons

Pour constituer les ébauches de plus grandes pièces 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.

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 atmosphère de gaz inerte. 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 norvégienne 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. MSM

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