Ces dernières années, ce ne sont pas seulement les imprimantes 3D domestiques utilisant des matériaux en résine qui ont attiré l'attention, mais aussi les "imprimantes 3D métalliques", qui utilisent des matériaux métalliques. Comme il s'agit d'une méthode de formation d'une couche à la fois, elle peut être utilisée pour des formes difficiles à travailler avec d'autres méthodes. Cette solution est principalement introduite dans les secteurs de l'aérospatiale et de la médecine et utilise les avantages inhérents aux imprimantes 3D. Dans cet article, nous expliquerons les avantages et les inconvénients des imprimantes 3D en métal, en les comparant aux imprimantes 3D à dépôt fondu qui utilisent des matériaux en résine. Nous décrirons également les secteurs d'activité susceptibles d'en bénéficier.
Qu'est-ce qu'une imprimante 3D métal?
Une imprimante 3D métal est un appareil qui façonne des matériaux métalliques, tels que le titane, l'aluminium et l'acier inoxydable, à partir de données CAO 3D. En général, les imprimantes 3D utilisant la résine comme matériau de modélisation sont largement utilisées dans l'industrie, mais à l'heure actuelle, peu d'entreprises ont mis sur le marché des imprimantes 3D métalliques coûteuses.
Comment fonctionne une imprimante 3D pour le métal?
À partir de données transversales créées à l'aide d'un logiciel spécialisé, les imprimantes 3D pour le métal créent des objets de n'importe quelle forme en combinant des matériaux métalliques couche par couche et en répétant la stratification. Contrairement au processus de découpe, qui permet de raser un morceau de métal, ou au processus de forgeage, qui le façonne sous pression, les imprimantes 3D pour métal sont conçues pour superposer et former des matériaux métalliques, de sorte qu'elles peuvent traiter des formes complexes telles que des structures en treillis et des conceptions creuses.
En outre, les pièces métalliques peuvent être créées sans préparation d'un moule spécial, comme dans le cas du moulage.
Quelles sont les méthodes d'impression 3D métal?
Il existe différents types d'imprimantes 3D pour le métal. Les méthodes les plus courantes sont les suivantes
- la méthode du lit de poudre,
- la méthode de dépôt par énergie dirigée,
- la méthode de stratification à chaud,
- la méthode du jet de liant
Comment fonctionne la méthode du lit de poudre dans une imprimante 3D?
La méthode du lit de poudre est une méthode de moulage qui consiste à irradier un faisceau sur un lit de poudre recouvert de poudre métallique et à répéter la fusion et la solidification pour chaque couche. Après le moulage avec cette méthode, la poudre qui n'a pas été irradiée par le faisceau peut être recueillie et tamisée pour être réutilisée, ce qui évite la perte de matériau,
- le laser,
- les électrons.
Il convient de noter à ce stade que les propriétés de l'objet moulé obtenu par chaque source de chaleur sont différentes.
Par exemple, avec le laser, comparé à la méthode du faisceau d'électrons, il est possible de créer un modèle avec une surface lisse, mais il est difficile de l'appliquer à des matériaux qui n'absorbent pas le faisceau.
En outre, la poudre métallique utilisée doit présenter un degré élevé de sphéricité et une grande fluidité afin de pouvoir être distribuée avec précision. C'est pourquoi une matière première couramment utilisée est la poudre sphérique obtenue par la méthode d'"atomisation au gaz", qui utilise un gaz inerte.
Méthode de dépôt par énergie dirigée
Dans la méthode de dépôt par énergie dirigée, un produit modélisé est produit en alimentant une poudre ou un fil, en le faisant fondre à l'aide d'un laser ou d'un faisceau d'électrons et en le déposant. En général, les poudres sont utilisées et alimentées par un gaz inerte. Comme le matériau fourni est utilisé pour le modèle sans perte, il s'agit d'un processus de fabrication avec peu de perte de matériau et une bonne productivité. La méthode ci-dessus est le plus souvent utilisée pour réparer des pièces métalliques. Néanmoins, comme elle peut être utilisée pour former de grandes pièces de forme simple, son utilisation dans le domaine aérospatial est envisagée. L'avantage de ce dispositif est que la surface peut être usinée pendant le formage, ce qui élimine la nécessité d'un traitement ultérieur.
Qu'est-ce que la méthode de laminage à chaud?
La méthode de laminage à chaud, également appelée "extrusion de matériaux", est une méthode de moulage dans laquelle de la poudre métallique est introduite dans une résine thermoplastique, puis laminée lors de la fusion. La résine thermoplastique, qui se ramollit sous l'effet de la chaleur, permet de mouler la forme souhaitée et de la contrôler. Toutefois, comme il reste une certaine quantité de résine après le moulage, elle est enlevée au cours d'un processus appelé écrémage. Après le frittage du moule écrémé et la solidification de la poudre métallique, le processus de moulage est terminé. L'élimination de la résine pendant le frittage fait disparaître l'espace et réduit le volume d'environ 20 %. Il est donc important de concevoir les données CAO en tenant compte du retrait et de créer un modèle de taille correcte. La méthode de stratification par fusion est traditionnellement utilisée dans les imprimantes 3D à résine.
Quels sont les avantages des imprimantes 3D pour le métal?
Les imprimantes 3D pour le métal présentent des avantages par rapport aux méthodes de traitement conventionnelles telles que le découpage, le moulage et le forgeage, et l'on s'attend à ce que leur développement technologique se poursuive à l'avenir.
Imprimante 3D métal:
- Elle peut imprimer des pièces métalliques d'une résistance et d'une durabilité excellentes.
- Elle permet la production à court terme de prototypes et de produits en petites séries.
- Les prototypes peuvent être produits facilement grâce à des coûts réduits.
Quels sont les inconvénients des imprimantes 3D métal?
Les imprimantes 3D métal présentent divers avantages, mais elles ne constituent pas un appareil à taille unique. En effet, il existe trois inconvénients qu'il convient de mentionner:
- L'utilisation de l'équipement nécessite des connaissances en modélisation.
- Le coût initial est élevé.
- L'utilisation des imprimantes 3D métal est coûteuse.
Bon à savoir
Les imprimantes 3D métal permettent d'empiler et de façonner des matériaux afin de produire des formes complexes difficiles à découper. Lors de la découpe, il est difficile d'installer un tuyau d'eau de refroidissement à l'intérieur du moule, car il y a une limite à la surface que l'outil peut découper. Toutefois, les imprimantes métalliques 3D permettent de mouler même des structures creuses et de fabriquer des produits qui ne peuvent pas être produits par l'usinage conventionnel. Ces équipements conviennent également aux "matériaux difficiles à usiner" qui sont trop compliqués à découper. Par exemple, dans l'industrie aérospatiale, les pièces en alliage de titane ont jusqu'à présent été produites par moulage et usinage. Toutefois, l'alliage de titane étant un matériau difficile à travailler, les imprimantes 3D pour métal qui ne nécessitent pas de découpe ont commencé à être utilisées et ont été introduites avec succès dans la pratique.
Imprimantes 3D dans le domaine médical
Les imprimantes 3D métal conviennent également aux produits de l'industrie médicale. Dans ce domaine, il est important de finir les os artificiels et les prothèses dentaires dans une forme qui correspond au squelette et à la forme des dents de chaque patient. Le processus de moulage traditionnel nécessite du temps et des efforts pour retravailler le moule pour chaque patient. Si vous utilisez une imprimante 3D en métal, vous pouvez modifier la forme du produit en corrigeant simplement les données CAO, ce qui vous permettra de le mouler rapidement. Ainsi, les imprimantes 3D métal sont un procédé de fabrication adapté à une production à faible volume et à forte variation.
Exemples d'imprimantes 3D métal utilisées dans l'industrie
Les imprimantes 3D métal sont utilisées dans les industries suivantes en raison de leurs nombreux avantages:
- Domaine médical.
- Aérospatiale.
- Industrie automobile.
Domaine médical
Dans le secteur médical, les imprimantes 3D métal commencent à être utilisées de manière efficace. En effet, il est nécessaire de fournir des "os artificiels" et des "prothèses" conçus dans la forme optimale pour le patient. Les imprimantes 3D métal peuvent contrôler librement la forme à l'aide de données CAO, de sorte que le modèle optimal peut être créé pour chaque patient. C'est pourquoi, même au Japon, de plus en plus d'entreprises et de groupes de recherche obtiennent l'"approbation pharmaceutique (approbation requise pour la fabrication et la commercialisation)" pour des os artificiels fabriqués à l'aide d'imprimantes 3D en métal.
L'aviation
Les imprimantes 3D en métal peuvent également être utilisées dans l'industrie aérospatiale. Elles conviennent pour les aubes de turbine et les buses de combustion utilisées dans les moteurs d'avion, dont les formes complexes sont difficiles à mouler et à découper. GE Aviation, un fabricant américain de moteurs d'avion, a réussi à modéliser une tuyère de combustion réellement installée dans un moteur. Traditionnellement, plus de 20 pièces étaient assemblées, mais l'utilisation d'imprimantes 3D en métal permet d'intégrer le produit.
Industrie automobile
Les voitures utilisent un grand nombre de matériaux en titane, difficiles à découper, et des pièces aux formes complexes. L'industrie automobile est donc un secteur qui peut facilement bénéficier des avantages des imprimantes 3D métal. Le constructeur automobile italien Bugatti produit un modèle composé uniquement de pièces fabriquées à l'aide d'une imprimante 3D métal. Il s'agit toutefois d'une supercar limitée à 40 exemplaires, qui n'est pas encore produite en série. Les imprimantes 3D métal seront de plus en plus utilisées si les défis de la production de masse peuvent être surmontés.
Comment utiliser une imprimante 3D métal et découper?
La découpe à l'aide d'un centre d'usinage ou d'un tour à commande numérique offre une excellente précision d'usinage. Par conséquent, si la forme peut être facilement produite, utilisez la découpe classique. Toutefois, si la forme du produit est complexe, n'oubliez pas qu'il est parfois difficile de l'usiner parce qu'il n'y a pas moyen d'insérer un couteau. En outre, il est difficile de découper des matériaux résistants aux lames tels que le "titane", qui enflamme facilement les copeaux lors de la découpe, et l'"acier inoxydable", dont le métal en fusion adhère facilement à la lame. Si le produit a une forme complexe et ne peut pas être fabriqué ou si vous souhaitez traiter des matériaux difficiles à découper, il est préférable d'utiliser une imprimante 3D pour le métal.
En outre, pour les produits qui nécessitent plusieurs processus de découpe, l'utilisation d'une imprimante 3D pour le métal permet de raccourcir le processus de production et de les produire en peu de temps. Si vous souhaitez éviter les pertes de matériau, il est préférable d'utiliser une imprimante 3D métal. En effet, lors du processus de découpe, il y a une perte de matière due à l'élimination des copeaux qui en résultent. En pratique, les imprimantes 3D métal n'utilisent que la quantité de matière nécessaire, ce qui réduit le gaspillage de matières premières et permet d'améliorer la productivité.
Résumé
Les imprimantes 3D métal sont principalement utilisées dans des situations où la découpe, le moulage et le forgeage sont difficiles à réaliser et pour des produits aux formes complexes. Cependant, comme le coût initial et le coût de fonctionnement sont très élevés, il y a un problème qui n'est pas facile à résoudre par rapport à une imprimante 3D utilisant la méthode de la stratification par fusion. Quoi qu'il en soit, il s'agit d'un équipement coûteux et compliqué, mais si nous pouvons trouver un créneau où nous pouvons l'utiliser, cela en vaut la peine.