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L’impression 3D par fusion de faisceau d’électrons, on vous explique tout !

Comme nous vous l’indiquions dans un article précédent, plusieurs procédés utilisés dans l’industrie permettent d’imprimer des pièces en métal. Nous allons maintenant présenter l’un d’entre eux : la fusion par faisceau d’électrons, ou en anglais, Electron Beam Melting (EBM). Ce procédé permet de fabriquer des pièces qu’il ne serait pas possible ou très complexe de fabriquer autrement et ayant une résistance équivalente à des pièces fabriquées par des moyens conventionnels tels que l’usinage ou la forge.

 

Actuellement, l’entreprise suédoise Arcam est la seule à fabriquer et vendre des machines utilisant cette technologie. Le procédé est particulièrement intéressant pour la fabrication de pièces très techniques, de moyenne dimensions et produites en petite série voire à l’unité. C’est pourquoi les principaux utilisateurs sont l’industrie biomédicale qui s’en sert notamment pour fabriquer des prothèses, l’industrie aéronautique, ou encore l’industrie du sport automobile. L’industrie automobile pour le grand public suit attentivement l’évolution de ce procédé mais n’y trouve pas encore suffisamment son compte pour l’adopter sur ses chaines de production.

Comment ça marche ?

Le fonctionnement est très proche de la fusion laser sélective, en effet, la matière première est au départ sous forme de poudre que l’on place dans un réservoir au sein de la machine. Cette poudre est ensuite déposée sous forme de fines couches que l’on vient préchauffer et faire fondre aux endroits où l’on souhaite construire la pièce. La fabrication se fait donc, couche après couche, en répétant ce processus autant de fois qu’il le faut pour obtenir la pièce entière (voir vidéo ci-dessous).

Une fois la fabrication terminée, l’opérateur retire la pièce de la machine puis éjecte la poudre non fondue à l’aide d’une soufflette ou d’un pinceau. Il faut ensuite retirer les supports de fabrication s’il y en a, détacher la pièce du plateau de fabrication puis passer aux finitions (usinage des surfaces en contact avec d’autres pièces, polissage,…). Dans certains cas, il peut être nécessaire de chauffer la pièce dans un four pendant plusieurs heures afin de libérer les contraintes induites par la fabrication.

Qu’est ce qu’un faisceau d’électrons ?

Faisceau d'électrons

Fonctionnement d’un faisceau d’électrons

La principale différence avec les procédés laser est la source d’énergie qui, comme le nom du procédé l’indique, n’est pas un faisceau laser mais un faisceau d’électrons. Lorsque l’on chauffe un filament de tungstène sous vide, celui ci libère des électrons qui sont des particules élémentaires chargées électriquement. Ces particules sont accélérées et dirigées par des électroaimants afin d’être projetées à grande vitesse sur la surface de la poudre. Cela a pour effet de chauffer les particules de poudre.

Pour assurer le bon fonctionnement de ce faisceau d’électron, toute la fabrication se déroule sous vide. Cela a également l’avantage d’éviter que la poudre ne s’oxyde en chauffant. À la fin de la fabrication, une grande partie de la poudre non fondue est ainsi réutilisable quasiment directement. Il est facile de comprendre l’intérêt que cela représente pour les industriels, notamment dans le secteur aéronautique où il arrive fréquemment que seule 20 % de la matière achetée ne soit effectivement utilisée dans la pièce finale, le reste étant enlevé par usinage et envoyé au recyclage.

Avec quels matériaux ?

Comme expliqué plus haut, le procédé repose sur un principe de charges électriques, les matériaux utilisés doivent donc impérativement être conducteurs. Sans cela, aucune interaction ne peut se produire entre le faisceau d’électrons et la poudre. La fabrication de pièces en polymère ou en céramique est donc techniquement impossible avec un faisceau d’électron.
Un autre inconvénient mérite d’être mentionné, les machines Arcam ne sont garanties qu’à condition d’être utilisées avec une gamme de matériaux assez restreinte (principalement des alliages de titane et de chrome-cobalt). Pour pouvoir utiliser ou tester un autre matériau, un utilisateur (entreprise ou laboratoire) doit suivre des formations payantes et obtenir une habilitation qui l’autorise à utiliser sa machine comme il l’entend.

Alors ? Laser ou électrons ?

La question est régulièrement posée par les industriels qui s’intéressent à l’impression 3D de pièces métalliques sans savoir quel procédé utiliser. La réponse dépend principalement de ce que l’on souhaite faire car chaque procédé a ses avantages et inconvénients.

 

Points forts  :
  • La vitesse de fabrication. Le faisceau d’électrons peut se séparer pour chauffer la poudre à plusieurs endroits simultanément ce qui permet de nettement accélérer la fabrication
  • Le fait de préchauffer la poudre avant de la faire fondre limite les déformations et réduit ainsi le besoin de renforts et de supports lors de la fabrication

Points faibles :

  • La précision. Au niveau de la poudre, le faisceau d’électrons est un peu plus large que le faisceau laser ce qui ne lui permet pas d’atteindre la même précision
  • La taille des pièces pouvant être fabriquée. La machine Arcam ayant le plus grand volume de fabrication (la Q20) autorise un diamètre maximum de 350mm pour une hauteur de 380mm quand des machines laser (comme la X-Line de Concept Laser) offrent déjà des volumes de fabrication au moins deux fois plus élevés.
Machine Arcam Q20

La machine Arcam Q20 qui fonctionne selon la technologie de fusion par faisceau d’électrons

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À propos Guillaume Marion

Ingénieur diplômé de l'école des Arts et Métiers ParisTech et d'un master recherche en procédés de fabrications innovants pour les métaux. Je suis actuellement en thèse à l'école des Mines ParisTech sur la fabrication additive de pièces métalliques pour l'industrie aéronautique. J'ai rejoint l'équipe pour apporter un point de vue sur l'impression 3D orienté sur la recherche et l'industrie.