Fabrication Additive - Les procédés sans fusion.
Si la majorité des fabricants de machines de fabrication additive qui existent concerne les procédés avec fusion, les procédés « sans fusion » représentent une diversité non négligeable avec de nouveaux acteurs entrant. Les procédés dit « sans fusion » regroupent deux catégories (Figure 1) : les procédés « avec frittage » et les procédés « par déformation » .
Les procédés de fabrication additive « avec frittage »
L’étape d’impression par ajout de matière couche par couche permet d’obtenir une forme 3D d’une pièce dite « à vert » (mélange Métal / Liant). C’est à cette étape que les technologies se distinguent selon la matière utilisée initialement (sous forme de poudre, de filament, de barreau, de résine, de pâte ou liquide chargé en poudres métalliques) et le type de système permettant la mise en forme (en lit de poudre ou non, avec tête d’impression, buse, laser ou système de dépose de matière (Figure 2).
L’étape de consolidation et densification (Figure 3) permet d’obtenir les propriétés mécaniques finales de la pièce après frittage. Pour cela, la pièce doit être d’abord déliantée : le liant est enlevé en effectuant soit un déliantage dans de l’eau ou un solvant, soit un déliantage catalytique (brevet BASF, procédé CATAMOLD), soit un déliantage thermique. Le mode de déliantage dépend de la nature chimique du liant, de sa teneur dans la pièce imprimée. [RC1]
Dans certains cas, le déliantage thermique peut être intégré en début de cycle de frittage où la pièce est chauffée jusqu’à un premier palier de température pour brûler le liant. Un deuxième palier à la température de frittage (entre 0.7 et 0.95 * la température de fusion) permet ensuite de créer les liaisons métallurgiques par diffusion de la matière en phase solide. Le frittage de la pièce à vert s’accompagne d’un retrait dimensionnel de l’ordre de 15 à 20% suivant les trois directions principales X, Y et Z (Figure 4).
Le Metal Fused Deposition Modeling
Le procédé de fabrication additive M-FDM inspiré du procédé FDM polymère a été développé pour être facile à l’utilisation rendant la technologie accessible même pour les débutants en fabrication additive métallique.
Avec ce procédé, différentes matières peuvent être mises en œuvre (Tableau 1) sous forme de filament, de barreau, de pâte ou de granulé de particules de métal emprisonnées dans une matrice liant diminuant ainsi les risques HSE. Le Tableau 1 présente les différentes machines (Desktop Metal, Markforged, Xerion, EVO-TECH, HAGE 3D, Apium Additive Technologies, Multec, Rapidia, AIM 3D ou Pollen)
Dans le cas de la Studio de Desktop Metal, le processus peut être divisé en 3 étapes (Figure 6), chacune ayant son équipement dédié : impression, déliantage, frittage (Figure 5) avec un interfaçage via la plateforme cloud Fabricate pour la préparation et le suivi des fabrications.
Le fabricant Rapidia[1] a développé une pâte métallique à base d’eau afin d’éliminer l’étape de déliantage et gagner ainsi en temps de cycle.
Enfin, certains fabricants comme Ultimaker proposent des machines de fabrication additive compatibles avec la paramétrie associée pour traiter les filaments développés par BASF tel que le filament ULTRAFUSE 316L. La pièce produite doit ensuite être envoyée chez un partenaire pour le déliantage et le frittage.
Pour les géométries complexes avec des surfaces non autoportantes, des supports de fabrication sont nécessaires à l’étape d’impression et sont réutilisés lors du frittage. Si l’imprimante dispose d’une deuxième tête d’extrusion, une interface céramique peut être déposée entre le support et la pièce pour faciliter son enlèvement après frittage.
Les matériaux disponibles pour la fabrication additive sont des inox : 316L, 304L, 17-4PH, des aciers à outil : H13, A2, M2 et D2, aciers pour trempe revenu: 4140, acier faiblement allié : 8620, des bases Nickel :In718, In625, du cuivre, du titane etc…
Les perspectives d’évolution des cas d’applications sont pour le moins limitées due à une productivité relativement faible (de l’ordre de 10 à 40 cm3/h) par rapport aux autres technologies FA. Le procédé M-FDM s’adresse à des petites séries voire des pièces unitaires pour du prototypage, le remplacement de pièces endommagées ou de l’outillage. De son côté, le sous-traitant Triditive booste la productivité grâce à sa solution AMCELL® (Figure 7) composée de 8 plateformes FDM Delta permettant d’aller jusqu’à 400 cm3/h.
Le Metal Binder Jetting
Avec le Metal Binder Jetting, la mise en œuvre est réalisée par projection d’un liant sur un lit de poudre. La polymérisation du liant peut se faire in situ ou a posteriori. L’étape d’impression ne nécessite pas de support de fabrication. Cela permet notamment d’utiliser tout le volume d’impression (Figure 8 ).
Une vidéo synthétique permet de voir les grandes étapes sur machine Digital Metal au Cetim.
En revanche, selon la géométrie des pièces, des supports peuvent être nécessaires lors du frittage. Ces supports sont nécessaires (Figure 9) pour éviter des déformations liées à la masse propre de la pièce et également liées aux phénomènes de friction entre la pièce et la plaque en céramique positionnée dans le four de frittage.
Le Metal Binder Jetting est une technologie de plus en plus diffusée aujourd’hui (Tableau 2) avec différents fabricants machine (Desktop Metal, Digital Metal, Exone, HP et GE)
Une variante hybride du Metal Binder Jetting existe. En effet, la startup 3DEO se démarque avec sa propre solution (Figure 10) Intelligent Layering® combinant impression 3D et usinage des couches pour un état de surface amélioré. Le plateau recouvert d’une couche de poudre reçoit entièrement (et non localement) du liant via une tête de pulvérisation (différente des têtes d’impression jet d’encre).
Des micro-fraises enlèvent ensuite de la matière après une ou plusieurs couches tandis qu’un système d’aspiration enlève les « copeaux ». La technologie est accessible en sous-traitance chez 3DEO.L’offre matériau en MBJ ne cesse de s’étoffer avec de nouveaux développements chaque année (Tableau 3).
Le Cetim souhaite notamment développer l’offre matériau en fabrication additive (Figure 11) et les applications (Figure 12) en fonction des besoins de l’industrie grâce à différents investissements accessibles aux entreprises.
La stéréolithographie métal ou “Metal Lithography”
Basé sur le principe de la stéréolithographie, ce procédé de fabrication additive consiste à étaler une couche d’un mélange résine photosensible et de poudre métallique pour la polymériser couche par couche via la technologie « Digital Light Processing » (projecteur). La résine est ici auto portante permettant de s’affranchir des supports.
Les informations concernant cette technologie sont encore limitées. Les acteurs principaux (Incus, Admatec) sont référencés dans le tableau 4.
Pour le moment, le 316L est le matériau le plus développé chez Incus avec du 17-4PH (Figure 13), de l’Inconel 625 et du cuivre (Figure 14) chez Admatec.
Le Cold Metal Fusion ou Metal SLS
Mise au point par la société Headmade Materials, la technologie Cold Metal Fusion (Figure 15) consiste à solidifier un mélange de poudre polymère et métal afin de créer une pièce à vert qui sera par la suite déliantée et frittée. Des machines standards SLS peuvent être utilisées.
Les matériaux disponibles sont le 316L, du chrome cobalt, le Ti6Al4V et du tungsten.
Material Jetting
Le procédé Material Jetting (Tableau 5) avec les fabricants de machine Xjet et Nanogrande, consiste à déposer via des cartouches d’impression des gouttelettes chargées de nanoparticules métalliques. Les supports de fabrications générés en polymère nécessitent un second jeu de cartouches. Les matériaux en développement sont des inoxydables, cuivre, titane, l’acier maraging, un alu AlSi10Mg mais aussi des matériaux précieux comme le platine, l’or et l’argent.
Autres technologies
Il existe également d’autres technologies de fabrication additive « sans fusion » comme le LPM (Layered Powder Metallurgy) ou le Mold Jet Deposition.
“Layered Powder Metallurgy” (LPM) – une technologie STRATASYS
La technologie LPM met en œuvre quatre étapes : l’impression, le pressage, le déliantage et enfin le frittage. L’impression se réalise selon trois séquences : étalement de la poudre sur un plateau, compaction de celle-ci puis projection d’un liant pour définir le contour extérieur de la pièce. Le liant fait ainsi office de moule. Le reste de la poudre est consolidée également par du liant suivant une structure faisant office de support. Lors de l’étape de pressage isostatique à froid : le bloc de matière est ainsi consolidé une première fois. Puis, lors du déliantage, le liant est décomposé en chauffant le bloc de matière. Les pièces à verts peuvent être ensuite récupérées. Enfin, au cours du frittage, les pièces à verts sont densifiées pour obtenir leurs propriétés mécaniques finales.
La technologie propriétaire de la société Stratasys (Figure 16) est développée dans un premier temps pour traiter l’aluminium (6061 and 7075 ) et ainsi répondre au marché de l’aéronautique et de l’automobile. La technologie est pour l’instant en beta test chez des clients partenaires.
Le nom de la machine n’a pas été divulgué. Le volume d’impression indiqué par le partenaire Fit Technology est 191 x 191 x 183 mm.
Mold Jet Deposition – une technologie Tritone
La technologie développée par la start-up Tritone (Figure 17) met en œuvre un système de carrousel à 6 plateaux :
- La première étape consiste à déposer un matériau polymère/cire pour constituer la forme du moule
- Un mélange liant/métal (barbotine) est introduit dans les cavités du moule
- L’ensemble de la couche est séché puis inspecté par un système de vision. La couche peut être enlevée puis refaite si elle ne passe pas les critères de qualité.
- Le processus se répète jusqu’à la dernière couche
Une phase de polymérisation permet de consolider le bloc fabriqué. L’ensemble est ensuite placé dans un bain pour dissoudre chimiquement la matière qui compose le moule avant frittage final des pièces à verts.
Le volume de fabrication de la machine Tritone Dominant est 400 x 240 x 120 mm. La start-up a déjà développé un nombre impressionnant de matériaux : 316L, 15-5PH, 17-4PH, M2, D2, H13, 4340, inconel 718, titane, cuivre pur, bronze, alumine.
Les procédés « par déformation »
On distingue ensuite les procédés « par déformation » comme le Coldspray, le Friction Deposition ou encore l’Ultrasonic Welding.
Le Coldspray ou la projection de poudre à grande vitesse
Utilisé principalement pour du rechargement ou du revêtement, le procédé Coldspray (Figure 18) permet la production de pièces « near net shape » pour ensuite être usinées. L’accroche de la poudre accélérée par un jet de gaz à une vitesse supersonic se fait par déformation à l’impact sur le substrat.
Actuellement, quelques matériaux sont disponibles : acier inox, Cuivre, Aluminium 6061, Titane grade 2, H11, H13, bronze …
L’intérêt de la technologie (Tableau 6) avec plusieurs fournisseurs de machine (Spee3D, Titomic, Hermle, 3D Hybrid Solutions Inc, Plasma et Impact Innovations) est de pouvoir combiner plusieurs matériaux comme un composite cuivre/acier (Figure 19) ou la possibilité de déposer un matériau soluble dans l’eau pour former des canaux internes dans un outillage (Figure 20).
Friction Deposition ou dépôt par friction malaxage
Ce procédé avec les fournisseurs Meld et Weisser (Tableau 7), inspiré du FSW (Friction stir welding) permet la production d’ébauche (Figure 22). L’apport de matière est réalisé au travers d’une broche sous forme de barre, de copeaux ou de poudre sur lequel un effort vertical est appliqué. La mise en rotation de la broche assure l’apport d’énergie au malaxage pour déformer plastiquement la matière, la ramollir (comportement thixotrope de la matière) et créer une liaison métallurgique avec le substrat.
La technologie permet de mettre en œuvre des matériaux composite, des alliages d’aluminium (Figure 21), magnésium, titane de nickel et cuivre.
Ultrasonic Welding ou Assemblage par ultrasons
Des rubans métalliques sont déposés (en quinconce) et assemblés par ultrasons. La société Fabrisonic (Tableau 8) intègre de l’usinage afin que l’ébauche produite soit ainsi immédiatement finie.
Les ultrasons permettent la liaison métallurgique entre deux rubans à basse température en cassant le film d’oxyde qui entoure la matière.
L’avantage est de pouvoir assembler des matériaux à l’état solide (sans fusion) permettant ainsi des combinaisons aluminium/cuivre (Figure 23), aluminium/acier, aluminium/titane ou des combinaisons plus exotiques : tantale/acier, Nickel/inox etc…D’autres combinaisons (Figure 24) sont également disponibles.
Les travaux réalisés par le CETIM sur le développement de la nuance X40CrMoV5-1 (AISI H13) par MBJ
Les premières solutions de matériaux développées par les fabricants de moyen restent centrées sur les aciers inoxydables (316L, 17-4PH), les superalliages base nickel. En revanche, les aciers dits mécaniciens : aciers pour traitement thermique, acier à outils sont sous représentés. Le CETIM a souhaité élargir le portefeuille de matériaux disponibles en MBJ. Des projets ont été engagés pour amorcer le développement des aciers X40CrMoV5-1 (H13) et 42CrMo4 par MBJ.
Nous traiterons dans le présent article du cas du H13 pour lequel une première démonstration de la mise en œuvre a été effectuée par O. Baulin et C. Reynaud. Ce développement s’est appuyé sur les moyens disponibles de la plateforme Mi3D du site de St Etienne, à savoir la machine d’impression DM P2000 (Digital Metal) et le four de frittage MIM3015T (Elnik system). La poudre utilisée correspond classiquement à une poudre de granulométrie MIM (5-25µm) qui a été fournie par la société Digital Metal.
Il a s’agit de déterminer un premier jeu de paramètres des différentes étapes du procédé à savoir : mise en œuvre sur imprimante MBJ, Curing, Déliantage et Frittage.
Des verrous techniques ont été levés en termes d’impression par technologie MBJ, de densification par frittage. Notamment, la densification par frittage de cette nuance requiert un frittage en phase liquide afin d’atteindre une densité élevée garante de bonnes propriétés mécaniques. Un premier enjeu concerne donc le pilotage de la quantité de phase liquide formée pour activer les mécanismes de densification et maitriser le risque de déformation excessive par fluage du composant. Ce contrôle passe notamment par la maitrise de la teneur en carbone et de l’homogénéité en température du four. Un deuxième enjeu concerne la maitrise du risque de décarburation du matériau dû aux réactions du carbone dissous avec les oxydes métalliques et l’atmosphère de frittage employée.
Une recette originale de frittage a été développée en pilotant l’atmosphère de frittage, qui permet l’atteinte d’une densité de l’ordre de 95% et conduisant à l’absence de décarburation. Le matériau fritté présente des grains équiaxes, homogènes, de taille inférieure à 100µm et caractérisée par une structure martensitique fine (Figure 25).
Une première caractérisation des propriétés à l’état brut de frittage a été effectuée. La dureté apparente et la résistance mécanique sont respectivement de l’ordre de 44-46HRC et de 1600MPa. Ces valeurs sont satisfaisantes au regard des propriétés observées sur des matériaux MIM frittés et de cette nuance issue d’un procédé métallurgique conventionnel.
Le Tableau 9 illustre les propriétés mécaniques de l’acier MBJ H13 à l’état fritté comparées à celles de cet acier mis en œuvre par MIM et par procédé conventionnel avec des données sur le H13 MIM issues de (1) M. Kearns, “A review of the sintering behaviour of selected tool steels processed by MIM”, PIM International, Vol 12 N 3, Sept 2018, p89-98. (2) Fiche de données matériau SMV®3 X37CrMoV5-1 Aubert & Duval. (*) Estimation des valeurs à partir des données reportées sur la fiche pour deux conditions de revenu. A noter que cette nuance contient sensiblement moins de vanadium par rapport à la nuance X40CrMoV5-1.
Une illustration du potentiel de fabrication est reportée en Figure 26 qui indique un éventail de pièces réalisées en fabrication additive. Cette technologie est disponible pour la production de petites pièces mécaniques, de petits éléments d’outillages.
Le CETIM a prévu de poursuivre et de compléter ces travaux afin de valider/ qualifier cette solution technique en employant d’autres sources d’approvisionnement de poudre et à plus forte teneur en carbone, un autre moyen d’impression (machine Lab-P1, Desktop Metal). Un axe de travail concernera le traitement thermique de ces matériaux.
Remerciements aux co-auteurs de cet article (Clément LALEVE, Christophe REYNAUD et Dr. Oriane BAULON) qui est paru initialement dans la Revue Forge et Fonderie 06/2021, pp. 8-19
Avec plusieurs expériences en Fusion laser, EBM et MBJ, je partage mes connaissances avec les entreprises qui souhaitent adopter ces technologies innovantes.