Les avancées technologiques nous ont depuis longtemps permis d’imprimer des objets en trois dimensions. Une diminution du coût des imprimantes 3D a permis à cette technique de gagner en momentum, et la transformation des conceptions numériques en objets est désormais plus accessible que jamais.
Dans cet article, nous expliquerons en détail les processus et matériaux d’impression 3D métallique afin que vous puissiez évaluer par vous-même ses coûts par rapport à ses avantages.
Types de techniques d’impression 3D métallique
La technique que vous utilisez pour imprimer en 3D un objet métallique dépendra de l’échelle de votre projet, de sa géométrie et des propriétés physiques requises. Certaines communes incluent les suivantes :
1. Fusion de lit de poudre
Dans cette technique d’impression 3D, la machine d’impression répand une couche de poudre métallique sur une plaque de construction et utilise un laser haute puissance pour balayer et fondre sélectivement la poudre afin de construire l’objet. La plate-forme de construction est ensuite abaissée, et une autre couche de poudre métallique est déposée pour que le laser puisse fondre et fusionner la couche suivante de l’objet.
L’imprimante répète le processus et continue à construire des couches jusqu’à ce que l’objet soit complet.
Cette technique est communément divisée en deux autres : Fusion sélective par laser (SLM) et Frittage direct de laser métallique (DMLS).
Le SLM fond complètement la poudre métallique car il utilise des métaux purs avec un point de fusion. En revanche, le DMLS utilise des alliages de différents matériaux, donc il ne peut pas les fondre à une seule température. À la place, il fusionne tous ces matériaux avec des points de fusion variables au niveau moléculaire. Le SLM utilise des lasers plus puissants que le DMLS, de sorte que les objets obtenus nécessitent plus de finition.
Grâce au contrôle que vous avez sur les couches dans le processus de fusion de lit de poudre, vous pouvez l’utiliser pour créer des pièces de haute qualité et détaillées avec des géométries complexes. Cette technique peut créer des pièces de turbine, des composants de moteurs de fusée, des implants tels que des membres prothétiques, des composants de moteurs, des bijoux et des œuvres d’art.
2. Jet d’agent liant
Ce processus utilise un fluide adhésif pour assembler de la poudre métallique selon la forme requise. L’imprimante 3D le fait en superposant des couches alternées de poudre et du matériau liant. Une fois l’objet désiré formé, la machine à jet élimine l’excès de poudre et brûle l’objet dans un four pour fusionner les particules métalliques.
Le processus de jet d’agent liant est relativement simple et rentable, vous pouvez donc l’utiliser pour créer des pièces complexes. Vous pouvez également l’utiliser facilement pour produire des objets relativement plus grands, comme des composants architecturaux. Les objets pouvant être imprimés en 3D de cette manière comprennent des sections de fuselage d’avion, des composants de moteurs, échafaudages osseux et échafaudages d’ingénierie tissulaire, et des cartes de circuits.
3. Dépôt d’énergie dirigé
Le dépôt d’énergie dirigé dépose essentiellement des couches de métal fondu pour créer un objet. Le processus utilise un laser haute puissance ou un faisceau d’électrons qui est utilisé pour fondre de la poudre métallique ou du fil et le déposer sur un substrat préparé à l’avance (souvent, une plaque de métal). Il dépose ensuite le métal en couches jusqu’à ce que la forme 3D désirée soit créée.
Le processus est polyvalent, permet des créations complexes et crée des pièces aux excellentes propriétés mécaniques. Industriellement, vous pouvez l’utiliser pour créer des pièces d’avions et de vaisseaux spatiaux à haute résistance, des composants automobiles complexes et personnalisés pour véhicules réguliers et militaires, des équipements de production d’énergie, etc.
4. Fabrication d’objet laminé
La FOL est un type de processus de laminage de feuilles qui peut être utilisé pour créer des objets métalliques en 3D. Notez que le processus de fabrication de feuilles utilise autrement des plastiques ou du papier.
Dans la Fabrication d’Objets Laminés en utilisant des métaux, l’objet est initialement tranché en couches qui sont imprimées sur des feuilles séparées de feuille de métal. Une couche de liant est déposée sur chaque feuille au préalable, après quoi elles sont tranchées avec un laser ou un autre outil de coupe approprié.
Elles sont empilées les unes sur les autres, et une pression est utilisée pour les lier ensemble. Vous devrez améliorer mécaniquement la surface et la finition de l’objet résultant. Des techniques comme l’ébavurage et le ponçage peuvent aider.
Les objets imprimés par fabrication d’objets laminés sont idéaux pour le prototypage, l’emballage, les maquettes, etc., et peuvent être utilisés dans des projets à grande échelle en raison de leur faible coût. Vous pouvez également les utiliser dans des contextes artistiques ou éducatifs.
5. Fabrication additive ultrasonique
Ce processus d’impression 3D est également réalisé en empilant des feuilles de métal. Cependant, une fois que vous empilez les couches de feuilles, elles sont exposées à des vibrations ultrasoniques dans l’UAM au lieu de la pression. Cela provoque la déformation de feuilles de métal et leur liaison au niveau atomique, créant des objets métalliques 3D solides et durables avec une faible densité.
Vous devez terminer le processus en taillant l’excès de matériau et en polissant ou revêtant la surface.
Les objets fabriqués par UAM sont légers mais solides, trouvant leurs utilisations dans les composants d’aéronefs, les implants biomédicaux comme les prothèses de hanche, les dispositifs électroniques, les composants de moteurs, les pièces de suspension, etc.
Sélection de matériau pour l’impression 3D métallique
La sélection de matériaux en impression 3D dépend des processus et des applications impliqués.
Facteurs affectant la sélection de matériaux
Il existe plusieurs facteurs qui affectent la sélection de matériaux en impression 3D métallique :
1. Compatibilité des matériaux avec les applications.
Les applications d’objets ont des exigences spécifiques. Par exemple, un implant biomédical imprimé en 3D est mieux réalisé avec du titane car il est biocompatible, plus adapté pour des applications plus petites en raison de son coût, et tolérant aux environnements corrosifs.
En revanche, un composant d’avion de grande taille qui ne nécessite pas beaucoup de résistance mécanique peut être imprimé en 3D avec de l’aluminium, car il est léger, moins cher, et résistant à la corrosion. De même, les composants de circuits peuvent nécessiter des métaux à haute conductivité, comme le cuivre.
2. Compatibilité des matériaux avec la technologie d’impression.
La technique d’impression 3D que vous utilisez peut limiter votre sélection de matériaux. Par exemple, vous ne pouvez pas utiliser de métaux cassants comme la fonte dans le dépôt d’énergie dirigé, car ils peuvent se fissurer pendant le processus. De même, il est peu pratique d’utiliser des métaux avec des températures de fusion extrêmement élevées, comme le tungstène, dans le processus d’impression 3D en raison de la grande quantité d’énergie nécessaire.
De nombreuses techniques, comme le jet d’agent liant, ne peuvent pas utiliser de matériaux réactifs, car ils peuvent réagir avec le matériau liant. Les matériaux magnétiques peuvent être difficiles à utiliser dans des processus tels que la fusion de lit de poudre car ils peuvent interagir avec les champs magnétiques utilisés.
3. Coûts des matériaux, disponibilité et coûts de post-traitement
Les métaux précieux comme l’or et le platine ne sont souvent pas utilisés dans l’impression 3D en raison de l’impraticabilité des coûts impliqués. Cependant, certaines applications, comme les bijoux et les composants électriques spécifiques, peuvent les exiger.
Vous devrez également post-traiter excessivement certains matériaux. Par exemple, le titane peut produire des pièces avec une finition rugueuse, les alliages de cobalt-chrome peuvent se déformer pendant le refroidissement, le cuivre peut s’oxyder pendant l’impression, etc., nécessitant des étapes de post-traitement superflues.
Métaux Couramment Utilisés dans l’Impression 3D
Voici quelques métaux typiquement utilisés dans l’impression 3D :
- L’acier inoxydable est un matériau polyvalent et durable facile à usiner. Il est souvent imprimé en 3D pour les industries médicales, aérospatiales ou automobiles.
- L’aluminium est un métal léger facile à usiner, à traiter et à souder. Vous le trouverez souvent utilisé dans les applications aérospatiales et automobiles.
- Le cuivre est communément imprimé en 3D pour les composants électroniques en raison de sa haute conductivité thermique et électrique.
- L’or, l’argent et le platine sont imprimés en 3D pour les bijoux, les produits de luxe et les objets de collection.
- Les alliages de cobalt-chrome sont imprimés en 3D pour des applications médicales et dentaires en raison de leur biocompatibilité.
Techniques de Post-Traitement pour les Pièces Métalliques Imprimées en 3D
Il peut être nécessaire de post-traiter un objet métallique imprimé en 3D pour prévenir les imperfections pendant le refroidissement, améliorer la résistance mécanique de l’objet ou en améliorer l’apparence, entre autres facteurs. Certaines techniques courantes que vous pouvez utiliser comprennent :
- L’usinage consiste à enlever l’excès de matériau des objets imprimés en 3D pour obtenir la forme et les finitions souhaitées.
- Le polissage implique généralement de lier et polir l’objet pour réduire la rugosité et lisser sa surface.
- Le traitement thermique implique de chauffer l’objet à des températures élevées, souvent dans une atmosphère sous vide, pour éviter l’oxydation et améliorer sa résistance et sa flexibilité.
- Le recuit de soulagement des contraintes consiste à refroidir l’objet pour soulager les contraintes internes et prévenir les fissures et les déformations.
- Le revêtement de surface implique l’application d’une couche de peinture ou de poli sur l’objet.
- L’électroplacage implique le dépôt d’une couche métallique sur l’objet par électrolyse pour améliorer sa durabilité ou ses propriétés électriques.
- Le pressage isostatique à chaud (HOP) consiste à appliquer une pression et une température élevées aux objets, en particulier à ceux présentant une porosité résiduelle, pour augmenter leurs densités et améliorer leurs propriétés mécaniques.
Avantages et Limites de l’Impression 3D Métallique
Comprendre les avantages et les limites de l’impression 3D peut vous aider dans l’analyse coût-bénéfice de la technique en fabrication.
Les Avantages de l’Impression 3D Métallique
Les applications de l’impression 3D métallique sont nombreuses et couvrent plusieurs domaines, de la santé à l’industrie aérospatiale. Ainsi, les investissements et le développement dans le domaine profitent au monde entier. Certains principaux avantages incluent les éléments suivants :
1. Flexibilité de Conception
L’impression 3D métallique permet une flexibilité de conception souvent impossible à réaliser avec les techniques de fabrication conventionnelles. C’est particulièrement bénéfique dans des domaines tels que la santé, où chaque implant et instrument peut être conçu et personnalisé dans les moindres détails par patient. Cela a également permis la création de structures à la fois solides et moins massives matériellement avec des rapports résistance-poids élevés.
2. Prototypage Rapide et Précis
L’impression 3D permet un prototypage rapide et précis. Cela peut permettre aux scientifiques, aux ingénieurs et aux fabricants de mieux visualiser les dispositifs, les composants et les produits, et d’anticiper la réponse des consommateurs ou les problèmes de développement. Les entreprises et les architectes peuvent également utiliser de tels modèles 3D pour présenter et comprendre leurs idées futures plus efficacement.
3. Utilisation Efficace des Ressources
L’impression 3D est une forme de fabrication additive – elle n’ajoute de matériau que là où c’est nécessaire. Cela garantit que votre projet génère peu de déchets, a peu ou pas de sous-produits, et utilise efficacement les ressources. De plus, vous n’avez pas à gaspiller des ressources pour transporter des matériaux, car l’impression 3D peut facilement être réalisée à l’échelle locale, ce qui permet d’économiser sur les coûts d’expédition et de stockage.
4. Précision et Facilité de Réplication
L’impression 3D est un processus couche par couche qui permet une précision jusqu’au moindre détail. Cela est inestimable dans des applications sensibles, telles que la fabrication de petits composants électriques ou de dispositifs biomédicaux.
De plus, un réglage soigneux et un contrôle de haute qualité peuvent permettre aux imprimantes 3D de produire de multiples objets avec des degrés élevés de similitude – une qualité difficile à réaliser avec les techniques de fabrication conventionnelles. Cela peut garantir l’uniformité à travers les produits et leurs propriétés.
Les Inconvénients de l’Impression 3D Métallique
- L’impression 3D n’est pas possible avec tous les matériaux, et l’utilisation de certains métaux comme le zinc, le fer, le mercure et le plomb ne peut souvent pas être réalisée avec la technique.
- La plupart des imprimantes 3D ont un volume de construction limité : la taille des objets qui peuvent être imprimés est limitée. Cela rend les applications à grande échelle difficiles, car vous devrez imprimer leurs composants en pièces séparées et les assembler séparément.
- Les finitions de surface des objets imprimés en 3D sont plus rugueuses que celles des objets fabriqués de manière conventionnelle, ce qui peut limiter leurs applications, surtout si votre projet nécessite des surfaces à faible frottement.
- Le processus d’impression 3D est lent et peut même prendre des semaines, en fonction de la taille et de la complexité du projet.
- Le processus est énergivore.
- Les considérations financières de l’impression 3D sont importantes – c’est un processus coûteux qui nécessite souvent des substances de haute qualité.
- Un post-traitement important peut être requis pour certains objets imprimés en 3D, en fonction du matériau et de la technique.
Note de fin
L’impression 3D métallique s’est révélée être une technique précieuse en fabrication, permettant des applications précédemment jugées impossibles par des moyens conventionnels. On peut s’attendre à ce que son coût continue de diminuer à mesure que les progrès se poursuivent. Bien que la technique présente actuellement des limitations considérables, les avantages de l’impression 3D l’emportent de loin.