Pourquoi le frittage direct de métal par laser (DMLS) est une alternative de fabrication additive fiable pour les pièces métalliques complexes

 

 

Lorsque les premières machines de frittage direct de métal par laser (DMLS) ont été lancées dans les installations de production, certains membres de la communauté des fabricants ont supposé que la fin de l'usinage traditionnel approchait. Car après tout, comment ne pas s'ébahir lorsqu'il suffit de remplir une machine de poudre métallique et de charger un fichier CAO pour obtenir en quelques heures une pièce neuve toute brillante ? Comment un atelier pourrait-il faire concurrence à une machine qui génère peu de déchets, n'est dotée d'aucun outil de coupe et peut se vanter d'une configuration se résumant à un simple appui sur un bouton ?

Il s'avère que la réalité associée au DMLS est légèrement différente de ces premières suppositions. Il ne s'agit pas ici de « Réplicateurs » dignes de la série Star Trek mais plutôt d'un processus qui complète l'usinage traditionnel. La technologie DMLS produit des pièces en métal dense directement à partir de modèles de CAO, souvent avec une précision et une finition de surface permettant de mettre une pièce directement en service. Mais surtout, si l'une de vos pièces très complexes est impossible à usiner, DMLS pourrait représenter la solution.

À l'instar d'autres procédés de fabrication additive laser, la technologie DMLS construit les pièces de bas en haut. Elle utilise un laser ytterbium pour fondre et fusionner ensemble des grains microscopiques de poudre métallique dans pratiquement n'importe quelle forme imaginable, dès lors que les dimensions de cette dernière ne dépassent pas celle d'une chambre de fabrication.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Imaginez que vous venez de télécharger un modèle CAO 3D de votre conception de pièce sur le site protolabs.fr. Il peut s'agir de n'importe quel type de conception, du prochain modèle révolutionnaire d'hélice à l'admission d'air d'un véhicule IndyCar. Les techniciens spécialistes de l’impression 3D de Proto Labs peuvent donner corps à ce rêve électronique en quelques étapes relativement rapides :

  1. Le modèle CAO est découpé par commande numérique en couches très fines, et tout support nécessaire est conçu en vue de faciliter le procédé de frittage laser. Ensuite, le fichier est téléchargé sur l'une de nos machines DMLS.
  2. Le lit de poudre est rempli à l'aide de l'un de nos quatre alliages résistants : aluminium, acier inoxydable, acier maraging et titane. Une fine couche du matériau sélectionné est ensuite distribuée sur la plateforme de construction.
  3. Lorsque la construction commence, un laser très puissant se met en marche, en traçant la couche inférieure de la série de pièces, ainsi que tout support temporaire nécessaire au processus de construction.
  4. Une lame étale une autre fine couche de poudre métallique sur les pièces et le processus de radiation laser est répété.
  5. Une fois achevée, la pièce presque terminée est retirée de la chambre de fabrication. Les supports sont retirés et les pièces peuvent alors faire l'objet d'un traitement supplémentaire en fonction des exigences du client.

L'illustration présente la fonctionnalité d'un processus de construction DMLS type.

L'illustration présente la fonctionnalité d'un processus de construction DMLS type.

Vous connaissez maintenant ce en quoi consiste le processus DMLS. Tout comme pour tout autre processus additif, la qualité de la pièce dépend fortement d'une solide stratégie de construction. Tout d'abord, la technologie DMLS nécessite des supports afin de maintenir les formes en place à mesure que la pièce est réalisée. En leur absence, les zones plates peuvent s'incurver : une forme en T se transformerait en forme en Y et une assiette en moule à tarte. Dans la plupart des cas, les clients Proto Labs peuvent confier le placement des supports aux experts en DMLS, mais il importe qu'ils comprennent que les surfaces non pourvues de support ont effectivement tendance à gauchir durant la construction et qu'un post-traitement secondaire sera nécessaire afin de scier, rectifier ou usiner ces supports afin de les retirer.

De la poudre métallique est éliminée par brossage d'un lit de pièces complexes en aluminium.

De la poudre métallique est éliminée par brossage d'un lit de pièces complexes en aluminium.

Tolérances et finition de surface

La tolérance des pièces constitue un autre critère de conception à prendre en compte. Le processus DMLS haute résolution réalise une épaisseur de couche de 0,03 mm et peut produire des pièces particulièrement précises (selon des tolérances de +/-0,1 mm), et des finitions de surface semblables à celles d'un moulage en sable. Si vous souhaitez obtenir une finition plus lisse, Proto Labs propose différentes options de finition, notamment le polissage manuel, l'usinage et le traitement thermique.

Et si les propriétés métallurgiques des pièces réalisées par frittage laser suscitent les préoccupations de certains, qu'ils soient rassurés. La technologie DMLS fait appel à la puissance laser pour faire fondre des particules métalliques individuelles. Chaque passage du faisceau chevauche le passage précédent et fait de nouveau fondre la couche située juste en dessous, de façon à fusionner le métal pour former une masse homogène dont la densité est à 99 pour cent identique à celle des matériaux formés de manière conventionnelle.

La capacité de créer des formes internes complexes en les « traçant » une couche à la fois ouvre la porte à des conceptions de pièces irréalisables auparavant. Les structures complexes et les ensembles composés de plusieurs pièces peuvent être fortement simplifiés en faisant appel à la technologie DMLS. Par exemple, GE Aviation a réduit de 18 à 1 le nombre de pièces utilisées dans un injecteur de carburant en faisant appel à la technologie DMLS. Et la société prévoit que plus de 100 000 pièces réalisées par frittage laser seront produites selon cette méthode d'ici 2020. De plus, du fait des divers types d'alliages disponibles, la solution DMLS bénéficie d'une utilisation accrue dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et des produits de grande consommation. Actuellement, elle permet de réaliser tous les produits imaginables, des implants orthopédiques et instruments chirurgicaux aux composants de turbine à gaz et d'échappement, qu'il s'agisse de quantités de prototype ou de série. Le message véhiculé ainsi indique que les utilisateurs qui comprennent comment tirer parti de la technologie du frittage laser de métal peuvent faire fabriquer facilement des pièces en métal très complexes, tout en réduisant la nomenclature totale.

Cette compréhension tient en partie à la connaissance du fonctionnement de la technologie DMLS. Les pièces étant formées de couches superposées, l'aspect crénelé se produira sur les surfaces en biais. Ainsi, les côtés d'une pièce en forme de pyramide seront plus rugueux que ceux d'un cube. Proto Labs essaiera d'orienter la construction de la pièce afin de réduire cet effet au minimum, mais il est essentiel d'identifier toute surface ou forme d'une importance cruciale lors de l'envoi de votre conception, afin qu'elles puissent être placées au niveau du plan de construction horizontal. Les sections excessivement épaisses sont à éviter autant que possible car elles augmentent le temps de fabrication et accroissent les contraintes internes au niveau du matériau. Et si des orifices ou des formes dotés de tolérances très faibles sont nécessaires, la conception doit inclure une quantité supplémentaire de matériau en vue d'un alésage usiné subséquent ou d'un usinage secondaire. Comme toujours, une discussion avec l'un des ingénieurs de notre service clientèle Proto Labs est recommandée pour toute question éventuelle.

Souvenez-vous que la technologie DMLS n'est pas nécessairement une alternative plus rapide et plus simple à l'usinage. La taille de la pièce est limitée, car même les machines DMLS grand format ont une capacité maximale de 250 mm3 chez Proto Labs. On retiendra l'aspect positif permettant d'utiliser la totalité du volume. Ainsi, si vous souhaitez produire mille instruments chirurgicaux de taille microscopique en inox 316, la technologie DMLS permet de le faire en une seule construction. De même, le processus de fusion de métal qui produit couche par couche n'est pas particulièrement rapide. Il se peut que plusieurs jours soient nécessaires pour réaliser une telle opération. Pour de nombreuses pièces, l'usinage CNC demeure la solution la plus économique. Pour tout le reste, la technologie DMLS peut offrir un certain nombre d'avantages, en particulier la flexibilité de conception.

La légèreté avant tout

Si vous envisagez d'essayer la technologie DMLS, un autre conseil est à retenir : Les pièces peuvent être réalisées par frittage laser bien plus rapidement et à un bien moindre coût si elles sont creuses. Sauf si vous êtes à la recherche du presse-papiers le plus couteux de la terre, il n'est pas nécessaire de faire fondre chaque centimètre carré de chaque couche de poudre lorsque seul le traçage du contour est nécessaire afin de veiller à l'intégrité structurelle de la pièce. C'est pourquoi la technologie DMLS constitue une excellente option pour les concepteurs de produits cherchant à obtenir des pièces légères. Comparée à l'usinage, pour lequel la réduction du poids augmente le temps et le coût de traitement, la technologie DMLS propose tout le contraire puisque son coût baisse à mesure que son poids est réduit.

Il s'agit d'un point crucial pour les constructeurs aéronautiques et automobiles pour lesquels chaque gramme a son importance en termes de rendement d'utilisation du carburant. Comme il a été mentionné précédemment, la technologie DMLS produit des pièces complexes dans des matériaux légers tels que l'aluminium et le titane.

Là aussi, la conception de pièce joue un rôle clé en vue de déterminer le processus le mieux adapté. En raison de leurs formes tridimensionnelles complexes, les très petits instruments chirurgicaux sont bien adaptés au frittage laser, tandis que les pièces dotées de formes nettes telles que les supports de fixation, les blocs collecteurs, les boîtiers d'électronique et de nombreux autres composants peuvent être facilement usinées en petites séries. Quel que soit votre choix, l'univers de la fabrication métallique est en pleine mutation, et Proto Labs est très bien équipé pour vous aider à l'explorer.

Pour en savoir plus sur la technologie DMLS, lisez notre guide sur l'impression 3D très complet ou contactez l'un des ingénieurs de notre service clientèle au +33 (0)4 27 50 29 47 ou envoyez un email à l'adresse customerservice@protolabs.fr.