Un métal nouveau provoque une vague de technologies de fabrication additive (rien à voir avec Limp Bizkit)

Par Duann Scott
- 21 Nov 2017 - 6 min De Lecture
Avec l’aimable autorisation de XJet

Après 20 ans passés à produire des objets métalliques avec les mêmes méthodes de fabrication additive, une nouvelle vague d’innovation émerge. Des techniques peu onéreuses et plus sûres remplacent les anciens procédés, avec des matériaux aux propriétés variées, que ce soit leur résolution, la qualité de leur surface ou leur liberté de forme.

Commençons par un peu d’histoire : depuis l’invention du procédé de fusion sélective par laser (SLM) à l’institut Fraunhofer en 1995, la fabrication additive métallique peut être réalisée à l’aide de l’une des trois techniques suivantes : la plus courante fusionne une couche transversale de poudre métallique avec un laser ou un faisceau à électrons, couche par couche, afin de construire des objets en métal dans divers alliages. La seconde technique utilise un flux d’énergie dirigée. Elle est exploitée sous la marque « Laser Engineering Net Shape » (LENS) et consiste à souffler la poudre métallique sur le passage d’un laser. Et la troisième fonctionne avec un lit de poudre dans lequel on consolide les particules métalliques, puis grâce au frittage, on obtient des propriétés semblables à celles du métal.

Une imprimante Desktop Metal utilise la méthode du frittage. Avec l’aimable autorisation de Desktop Metal.

Indubitablement, ces procédés ont constitué une évolution et permis de construire des pièces complexes et sur mesure, mais ils sont loin d’être parfaits : l’utilisation de poudre de métal dans la fabrication additive signifie la manipulation de matériaux potentiellement dangereux et l’apparition de problèmes de déformation thermique, qui présentent de multiples contraintes à gérer.

Voici l’avant-garde de la nouvelle vague de l’impression métallique : XJetDesktop MetalNanoCore TechnologiesMarkforged3DEODigital AlloysVader Systems. Ces entreprises se détournent des techniques à base de poudre et leur préfèrent celles dans lesquelles la poudre métallique est soit emprisonnée dans un liquide soit intégrée dans un filament. Elle est imprimée dans une « pâte » fragile qui est solidifiée en fourneau afin d’obtenir le résultat final.

Les fondateurs de XJets sont aussi l’équipe qui a créé Objet, la première imprimante 3D à polymères multimatériels (aujourd’hui fusionné avec la Stratasys) et la première imprimante jet d’encre grand format (achetée par HP). XJet, qui a nommé sa technologie le « liage par nanoparticules », propose essentiellement une imprimante jet d’encre de classe militaire, équipée de milliers de buses qui déposent les nanoparticules de métal (ou de céramique) dans un liquide qui s’évapore lors de l’impact avec le lit d’assise ou la couche précédente. Ces nanoparticules permettent une résolution plus fine et forment un matériau support secondaire, qui évacuent le problème des structures de support gênantes. Finies aussi la déformation thermique et les tensions résiduelles des techniques sur lit de poudre qui apparaissent pendant l’impression et le refroidissement. Ce qui ne disparaît pas, c’est le potentiel de l’impression 3D métallique multimatérielle, avec des variations complexes.

Desktop Metal, Markforged, Digital Alloys et Vader Systems utilisent une technique proche de la « modélisation » par dépôt en fusion (FDM) développée par Stratasys : ils extrudent le matériau à partir d’un filament, sur le lit d’une imprimante 3D. Un des principaux avantages de ce type de modelage est la manipulation de la matière première, le métal étant contenu dans un liant, qui peut être un enduit polymère sur un filament, une pâte de type barbotine, une tige en métal ou un fil de soudage. Les procédés qui utilisent autre chose que la poudre ouvrent des possibilités plus vastes : on peut employer des matériaux déjà disponibles en vrac comme les fils de soudage ou les matériaux utilisés pour le moulage par injection de métal (MIM).

L’imprimante 3D Metal X de Markforged met en œuvre la fabrication additive de diffusion atomique (ADAM) avec des poudres MIM ordinaires emprisonnées dans un polymère qui est fondu au cours du procédé de frittage secondaire. On obtient des pièces d’une densité de 99,7 %. La tête d’impression de la Metal X dispose aussi d’un capteur laser sur qui renvoie des données au logiciel Eiger de Markforged, basé sur le cloud, qui permet de surveiller l’exactitude des dimensions de la pièce au cours de la construction.

Desktop Metal's Studio System. 
Système Studio de Desktop Metal. Avec l’aimable autorisation de Desktop Metal.

Le feedback transmis en temps réel par la machine pourrait être très utile à la reconnaissance de la géométrie de la pièce et des erreurs possibles, à la prévision des problèmes avant leur apparition et aux économies de temps et de matière première. Il pourrait être traité ensuite par des outils de conception générative afin que le logiciel produise des plans pour des pièces, adaptés à ce procédé, exempts de toute anomalie.

Desktop Metal propose également son matériel dans le cadre d’un service (HaaS) : les clients peuvent disposer d’une machine pour quelques milliers d’euros par mois, ce qui coûte moins qu’une construction complète avec la plupart des machines à lit de poudre métallique. Cette économie rendra la fabrication additive encore plus rentable dans de nombreux secteurs et traitera des cas hors de portée des techniques actuelles à base de poudre.

La Mark 1 de Vader Systems extrude le matériau à partir du filament sur le lit d’une imprimante 3D. Avec l’aimable autorisation de Vader Systems.

En réalité, les lasers qui fusionnent le métal sont onéreux. Le prix moyen d’une machine à laser se situe aux alentours de 500 000 € et peut s’envoler jusqu’à plusieurs millions, sans compter le matériel de post-traitement indispensable. En revanche, le prix de ces nouveaux types d’imprimantes 3D métalliques avoisine les 90 000 €, avec le matériel de post-traitement, une nouvelle victoire pour les trublions du métal.

Les procédés à base de poudre ont sans doute encore leur place dans de nombreuses applications qui nécessitent une résolution laser, des propriétés matérielles structurées et une conception complexe, des exigences que la plupart des nouvelles technologies de fabrication additive ne peuvent pas encore remplir. Savoir quelle approche est la plus indiquée dépend du bon procédé pour l’application, en fonction des propriétés du matériau, de la résolution, de la liberté de conception, de la vitesse et du prix. Les nouvelles techniques offrent plus de possibilités aux ingénieurs et aux concepteurs. Même après toutes ces années de services, le métal de Trust reste incontournable : quand on perd son sang froid, il est temps d’essayer un métal nouveau.

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