EBM vs L-PBF : quelle technologie de fusion de poudre métal choisir ?

La fabrication additive métallique a connu une croissance fulgurante ces dernières années, permettant d’imaginer des formes complexes tout en misant sur des performances et qualité accrues. Les procédés qui offrent ces possibilités sont nombreux : fusion laser, dépôt de matière sous énergie concentrée, liage de poudre, etc. L’une des familles les plus employées aujourd’hui reste la fusion sur lit de poudre. On y retrouve deux techniques qui diffèrent principalement du fait de la source de chaleur utilisée : il s’agit de la fusion laser (L-PBF) et de la fusion via un faisceau d’électrons (EBM). Le principe reste le même : fusionner des particules métalliques étalées sur un plateau d’impression, couche par couche, afin de créer le modèle 3D souhaité. Mais employer un laser pour réaliser cette opération ou un faisceau d’électrons est évidemment différent. Alors, quel procédé adopter ? Quelles sont les caractéristiques de ces deux techniques ? Leurs points communs et leurs disparités ? On vous dit tout ! 

Les technologies L-PBF et EBM

Comme le nom l’indique, les deux technologies reposent sur la fusion d’un lit de poudre métal via une source de chaleur. Ce processus s’opère dans une machine fermée et permet d’obtenir des pièces solides et denses. C’est la source de chaleur employée qui est donc différente. Dans le cas du procédé de fusion laser, il faut tout d’abord éclaircir les termes donnés à ce procédé et les différents acronymes. On entend souvent SLM ou DMLS, ou encore L-PBF. Le principe reste le même : le terme SLM (Selective Laser Melting) nous vient de l’institut Fraunhofer, tandis que DMLS (Direct Metal Laser Sintering – qui en réalité fusionne et non fritte) provient du fabricant EOS. On utilisera ici le terme plus générique de L-PBF.  

L’imprimante 3D a recours à un ou plusieurs lasers – on peut aujourd’hui trouver des machines qui ont 12 lasers. Ce dernier est un laser à fibre sur les machines DMLS. Elle commence par créer une atmosphère inerte dans sa chambre et vient la chauffer à la température optimale souhaitée. Une première couche de poudre métallique est déposée sur le plateau. Puis, le laser vient fusionner les particules de poudre selon la forme voulue. L’intensité de ce dernier est déterminée en fonction du métal employé : l’objectif ici est d’atteindre le point de fusion du matériau afin qu’il puisse totalement fondre au passage du laser et qu’il se solidifie dès son refroidissement. Le processus est répété couche par couche.  

Si on s’intéresse maintenant à la fusion par faisceau d’électrons, sachez qu’il faut absolument utiliser une chambre à vide pour éviter l’oxydation de la poudre métallique. Une fois cet environnement créé, le matériau, qui doit être conducteur, est déposé sur le plateau puis un canon à électrons émet un faisceau. Guidés par un champ magnétique, les électrons produits vont pouvoir fusionner les particules de poudre entre elles et couche par couche, concevoir la pièce souhaitée. À noter que ces électrons peuvent atteindre des températures allant jusqu’à 2 000°C et des vitesses ultra rapides.  

Caractéristiques techniques

Le choix de la fusion laser ou de la fusion par faisceau d’électrons dépendra du besoin de l’utilisateur : faut-il une qualité de la pièce élevée ? Quel volume faut-il fabriquer ? Le projet est-il urgent ? Vous l’aurez compris, de nombreux critères influent la décision finale ; nous vous proposons de revenir sur les principales différences qui existent en termes de caractéristiques techniques pour éclairer au maximum votre choix. 

Qualité d’impression

La qualité d’impression est un facteur déterminant, surtout si on parle de pièces finies. Que ce soit en L-PBF ou en EBM, on obtient généralement des pièces précises, denses et solides. Cependant, la finition n’est pas la plus soignée et les pièces sont rugueuses. La fabrication additive métal requiert souvent des étapes de post-traitement pour obtenir une surface plus lisse et mieux travaillée.  

On notera que l’utilisation d’un laser permet d’obtenir une meilleure précision. En effet, les particules de poudre sont fusionnées de façon plus fine ce qui permet de concevoir des pièces qui auront un état de surface moins grossier qu’avec le procédé EBM. De plus, les particules de poudre utilisées en L-PBF sont plus fines tout comme les épaisseurs de couche. Ceci contribue à obtenir une meilleure qualité d’impression par rapport à l’EBM. 

Vitesse d’impression

De façon générale, la fusion par faisceau d’électron est plus rapide que la fusion laser. Les électrons émis sont nombreux et capables de fusionner les particules simultanément car le faisceau émet de l’énergie sur l’ensemble du plateau d’impression. Le laser quant à lui doit réaliser la fusion point par point ce qui est beaucoup plus long. La machine L-PBF utilise un galvanomètre c’est-à-dire un assemblage de miroirs mobiles pour diriger le laser le long du plateau d’impression. Bien évidemment, la vitesse d’impression dépendra du nombre de lasers que la machine L-PBF possède ainsi que de leur puissance – vous vous doutez bien qu’une imprimante 3D monolaser sera moins efficace qu’une machine qui en possède 12. Le préchauffage de l’imprimante 3D ainsi que son refroidissement doivent être pris en compte quand on évalue les temps de fabrication. 

Volume d’impression

La fusion sur lit de poudre métal n’est pas spécialement réputée pour la production de grands volumes – on aura plutôt tendance à se tourner vers le dépôt de matière sous énergie concentrée (DED) pour cela. En effet, plus la machine est grande, plus le temps de préchauffage du matériau sera long et nécessitera davantage d’énergie, ce qui n’est pas forcément un avantage. On peut toutefois dire que le L-PBF offre des volumes plus généreux. Tout d’abord, il existe plus de machines de fusion laser sur le marché ce qui permet d’avoir un choix plus vaste en termes de tailles de plateau d’impression. Par exemple, l’une des plus grandes solutions offrent un volume de 9 tonnes, tandis que les plus courantes sont davantage autour de 250 x 250 x 300 mm.  

Côté EBM, le choix est beaucoup plus limité car il existe très peu d’imprimantes 3D sur le marché. Le volume proposé n’atteint pas ceux du L-PBF – nous sommes plutôt autour de 200x200x200 mm, avec la possibilité de monter à 300 x 300 x 450mm.  

Matériaux

Il est très important de noter que la fusion par faisceau d’électrons n’est compatible qu’avec des métaux conducteurs. Le principe même du procédé repose sur une charge électrique et doit obligatoirement fonctionner avec un matériau qui la laisse passer. On pourra ainsi imprimer des pièces en chrome cobalt, cuivre, titane, acier inoxydable ou encore avec des alliages de nickel. A noter qu’il est possible de réutiliser la poudre non fusionnée par le faisceau ce qui peut représenter des économies non négligeables en termes de ressources. 

Pour la fusion laser, la gamme de matériaux compatibles est plus large. Les métaux les plus couramment employés sont l’aluminium, le titane, l’acier et différents alliages, ou encore le cobalt-chrome et le cuivre. Dans les deux cas, la gestion de la poudre doit être réalisée avec grande précaution, avec les mesures de protection nécessaires (masques, gants, lunettes). Plus les particules de poudre seront fines, plus les précautions à prendre seront importantes. On aura donc un risque plus important avec le L-PBF.  

Post-traitement

Une fois l’impression terminée, les deux procédés nécessitent une étape de nettoyage de la pièce. Il faut en effet retirer l’excédent de poudre qui n’a pas été fusionnée. Le dépoudrage sera plus ou moins long en fonction de la forme des pièces. Des équipements spécifiques sont le plus souvent employés comme des stations de sablage par exemple. 

Vient alors l’étape de retrait des supports d’impression. La fusion par faisceau d’électrons en nécessite généralement moins. L’utilisation d’une chambre à vide et le préchauffage contrôlé de chaque couche viennent limiter les déformations et renforcent les pièces, limitant ainsi le besoin de renforts lors de l’impression. Avec le L-PBF, les supports sont nécessaires pour éviter les distorsions liées aux températures élevées, mais aussi pour favoriser la dissipation de la chaleur et réduire les contraintes quand le matériau se refroidit. Selon la géométrie de la pièce, leur nombre sera plus ou moins élevé. Ils s’enlèvent par usinage, découpe ou électro-érosion à fil.  

Comme expliqué précédemment, les deux procédés de fabrication additive métal ne sont pas spécialement connus pour leur qualité esthétique. Si vous souhaitez obtenir une surface lisse, il faudra passer par des étapes de post-traitement notamment par du polissage. Cela est particulièrement vrai pour le procédé EBM, l’état de surface étant particulièrement pauvre.  

Enfin, concernant le traitement thermique, c’est-à-dire les différentes méthodes qui permettent d’améliorer les propriétés mécaniques des pièces, il est rarement nécessaire pour l’EBM. Si vous optez pour la fusion laser, il peut être intéressant d’utiliser des techniques comme le pressage isostatique à chaud pour supprimer tous les vides internes et retirer la porosité résiduelle.  

Principales applications des procédés EBM et L-PBF

Les deux technologies sont utilisées dans les industries de haute performance, mais leurs applications diffèrent en fonction de leurs caractéristiques de traitement uniques. La fusion par faisceau d’électrons se distingue par sa capacité à traiter des matériaux difficiles à usiner et à fabriquer des pièces à haute résistance mécanique. Historiquement, la fusion par faisceau d’électrons a séduit deux secteurs : l’aérospatiale et la médecine. Dans l’aérospatiale, elle est le plus souvent utilisée pour produire des aubes de turbines. Colibrium Additive, par exemple, imprime sous vide des milliers d’aubes de turbine en titane pour le moteur GE9X de GE Aerospace. En médecine, l’impression 3D EBM a été largement utilisée dans la production d’implants orthopédiques, tels que les cupules acétabulaires pour les prothèses de hanche. La conception poreuse offerte par ce processus facilite la croissance osseuse dans la cupule, ce qui facilite la fixation de l’implant.

La technologie L-PBF est beaucoup employée pour des applications aérospatiales, automobiles, médicales et dentaires, ainsi que dans les turbomachines. Dans le secteur automobile, ce procédé est utilisé dans diverses pièces des voitures, depuis les composants du moteur et de la transmission jusqu’aux éléments intérieurs. Dans le domaine des turbomachines, cette technologie est essentielle pour la production d’aubes, de roues et d’injecteurs de carburant, où sa capacité à créer des canaux internes et des structures de refroidissement améliore l’efficacité et la durée de vie des composants. Dans le secteur médical et dentaire, la fusion laser sur lit de poudre est principalement utilisée pour la fabrication d’outils chirurgicaux et d’implants dentaires.

Enfin, il convient de mentionner que l’utilisation de ces deux technologies dans le secteur médical est fortement influencée par la possibilité d’utiliser des matériaux tels que le titane et l’acier inoxydable. Le titane est un matériau biocompatible doté de bonnes propriétés mécaniques qui le rendent adapté aux implants, par exemple. Quant à l’acier inoxydable, ses caractéristiques le rendent parfait pour la production d’outils et de matériel médical. Les deux métaux profitent donc des procédés et de leurs chambres étanches pour produire des pièces sans risque de contamination.

Principaux fabricants d’imprimantes 3D EBM et L-PBF

Le marché de la fusion par faisceau d’électrons (EBM) a été dominé pendant de nombreuses années par Arcam, la société suédoise qui a été la première à développer et à commercialiser cette technologie. Ces dernières années, cette branche de l’industrie s’est développée avec de nouvelles entreprises qui se partagent les parts de marché. Aujourd’hui, Colibrium Additive, une entreprise de GE Aerospace, est l’acteur le plus influent suite à l’acquisition d’Arcam en 2016. L’entreprise a piloté la production de masse de composants aérospatiaux et médicaux au sein de General Electric. Depuis l’acquisition d’Arcam et d’autres entreprises spécialisées dans la fabrication additive métallique, comme Concept Laser, Colibrium Additive a optimisé la technologie avec des innovations telles que le calibrage automatique du faisceau et un contrôle thermique plus précis.

D’autre part, depuis cette évolution du marché de la technologie EBM, de nouveaux fabricants ont fait leur apparition, comme Wayland Additive qui, avec son procédé NeuBeam, cherche à améliorer la stabilité et la flexibilité de la fusion par faisceau d’électrons. Fondée en 2017 par d’anciens ingénieurs d’Arcam, Freemelt propose également des imprimantes utilisant un faisceau d’électrons et certaines sont même open source. Parmi les autres nouveaux entrants sur ce marché, on trouve les fabricants asiatiques QBeam, Xi’an Sailong Metal et JEOL. Ils se distinguent par leur expérience dans d’autres technologies à faisceau d’électrons, qu’ils ont adaptée à la fabrication additive. Il convient toutefois de souligner que la commercialisation de leurs imprimantes reste concentrée dans leur pays d’origine.

Dans le domaine de la technologie L-PBF, la société allemande EOS est le principal acteur, avec plus de trois décennies d’expérience dans la production d’imprimantes métal basées sur la technologie L-PBF et ses matériaux. Aujourd’hui, un grand nombre d’entreprises utilisent le procédé L-PBF : Nikon SLM Solutions, Renishaw, Farsoon Technologies, Additive Industries, 3D Systems et AddUp ne sont que quelques exemples. Au fil du temps, ces entreprises ont précisé leur offre en proposant des imprimantes qui répondent aux besoins d’un secteur particulier. Les imprimantes de Farsoon et d’Additive Industries, par exemple, se distinguent par leurs capacités multi-laser et grand format. Les imprimantes de Renishaw et de 3D Systems sont souvent utilisées dans la recherche. Enfin, les fabricants Nikon et AddUpp proposent des solutions pour l’industrie générale et la production de masse. Il convient de noter que les offres des fabricants susmentionnés ne se limitent pas à ces applications, mais qu’il s’agit de quelques-unes des plus importantes.

Prix

Les imprimantes 3D utilisant les procédés EBM et L-PBF représentent un investissement important, les prix variant en fonction du modèle, du volume d’impression, du média inerte requis et des caractéristiques spécifiques de chaque appareil. Toutefois, le prix des imprimantes EBM est beaucoup plus élevé que celui des imprimantes L-PBF. Cela s’explique par l’offre limitée de machines EBM par rapport à l’offre de solutions L-PBF. Dans le cas de la fusion par faisceau d’électrons, les coûts sont estimés entre 500 000 et 1 000 000 de dollars. Ce coût élevé englobe non seulement l’imprimante elle-même, mais aussi l’infrastructure nécessaire au fonctionnement de la machine, y compris l’équipement de post-traitement et les matériaux spécialisés. En outre, le processus EBM exige des professionnels hautement qualifiés pour le faire fonctionner, ce qui a un impact significatif sur les coûts et la disponibilité des talents.

En revanche, les imprimantes utilisant la technologie L-PBF offrent une gamme de prix plus large en fonction de leur volume d’impression. Des modèles tels que la ProX 100 de 3D Systems, avec un volume d’impression de 100 x 100 x 180 mm, sont estimés à 250 000 dollars. Les options plus avancées, comme l’EOS M400, avec un volume d’impression de 400 x 400 x 400 mm, atteignent 750 000 dollars. Outre le coût de la machine, il faut également prendre en compte l’investissement dans l’équipement de post-traitement et l’achat de poudres métalliques. En résumé, pour connaître le coût précis des imprimantes, il est nécessaire de contacter les fabricants ou les distributeurs pour obtenir un devis.

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