Fusion laser sur lit de poudre, on vous explique tout !

Dans les années 90, plusieurs entreprises se penchent sur la technologie de fusion sur lit de poudre qui consiste à fondre des particules de poudre métallique grâce à une source de chaleur – un laser ou un faisceau d’électrons – pour former une pièce plus ou moins complexe. On s’intéressera aujourd’hui à la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre qui, comme son nom l’indique, a recours à un laser.

En 1994, l’entreprise EOS brevète son procédé appelé DMLS (Direct Metal Laser Sintering) tandis qu’en 1995 l’institut Fraunhofer fait apparaitre le terme SLM pour Selective Laser Melting. Il s’avère que les deux procédés sont similaires et qu’on retiendra davantage la famille de fusion laser sur lit de poudre pour éviter toute confusion – SLM étant aujourd’hui une marque allemande d’imprimantes 3D industrielles. Si le terme DMLS implique un frittage comme dans le SLS de part son nom, il faut bien comprendre que les procédés d’impression 3D métal fonctionnent aujourd’hui par fusion et non par frittage.

Crédits photo : Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

La différence entre le frittage et la fusion est assez simple : la fusion implique de passer d’un état solide à liquide grâce à une température élevée ; le frittage quant à lui ne permet pas au métal de fondre car la température utilisée n’est pas assez haute. Par conséquent, les particules de métal sont agglomérées entre elles tout en laissant un vide et donc des trous. Pour prendre une image assez claire, c’est comme si vous empiliez des pommes : il existera toujours un vide entre deux fruits. Les pièces imprimées en 3D présenteront donc une résistance mécanique faible à l’inverse de la fusion où le liquide vient combler ces trous.

Comment fonctionne le procédé de fusion laser sur lit de poudre ?

Comme toute technique d’impression 3D, la conception d’une pièce commence avec la création du modèle 3D à l’aide d’un logiciel de CAO. La pièce est ensuite découpée en une multitude de couches par un slicer – dans notre cas, l’épaisseur d’une couche varie généralement entre 20 et 60 microns.

Afin de démarrer le processus d’impression, l’imprimante 3D remplit sa chambre d’un gaz inerte puis la chauffe à la température d’impression optimale. Une fine couche de poudre est ensuite déposée sur le plateau, selon la hauteur définie préalablement par le logiciel de la machine. Le laser à fibre optique (200/400 W) vient alors balayer la section transversale de la pièce, fusionnant les particules métalliques. Lorsque la couche est terminée, le plateau descend et une autre couche de poudre est ajoutée. Le processus est répété jusqu’à l’obtention de la pièce finale.

Il faut alors laisser l’imprimante 3D refroidir puis enlever la poudre non fusionnée du bac afin d’apercevoir la pièce imprimée – celle-ci est généralement aspirée. La pièce est attachée au plateau, généralement par des supports d’impression ; à la différence de la technologie SLS, ces supports sont recommandés car ils permettent de réduire les phénomènes de warping et de distorsion observés quand on a des températures de traitement élevées. Ils sont généralement retirés via des méthodes de découpe ou d’usinage ou par électro-érosion à fil. Les pièces peuvent être traitées thermiquement pour réduire les contraintes résiduelles et améliorer ses propriétés mécaniques. Côté post-traitement additionnel, on peut imaginer des étapes d’usinage CNC mais aussi un processus de polissage pour offrir une meilleure qualité de surface.

Les étapes de post-traitement sont plus ou moins importantes

Matériaux et applications de la technologie de fusion laser sur lit de poudre

Vous l’aurez compris, la fusion laser sur lit de poudre utilise des poudres métalliques pour concevoir des pièces plus ou moins complexes. On retrouvera le plus souvent des matériaux métalliques et alliages tels que l’acier inoxydable, le cobalt-chrome, l’aluminium, le titane ou encore l’inconel. Quelques métaux précieux (or, platine, argent) peuvent être utilisés, presque exclusivement dans le secteur de la joaillerie. La résistance des pièces obtenues est aujourd’hui comparable à celle obtenue par des techniques de fonderie ou d’usinage. La fusion laser sur lit de poudre est ainsi l’une des rares technologies de fabrication additive à être utilisée dans la production.

Les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile et du médical (notamment le dentaire) sont très friands de cette technologie. Elle offre en effet une complexité géométrique impossible à obtenir via des méthodes de fabrication classiques tout en réduisant leur poids final et le nombre de composants à assembler grâce à des techniques comme l’optimisation topologique. On a donc des délais de production plus courts et des pièces sur mesure très résistantes. Toutefois, il faut garder à l’esprit que les imprimantes 3D et les poudres métalliques sont chères et qu’elles ne permettent pas de fabriquer de très grandes pièces.

Crédits photo : Mercedes-Benz

Les principaux acteurs de cette technologie

L’un des pionniers de la technologie est l’allemand EOS avec sa gamme EOS M qui offre une solution de production complète pour tout industriel. Il est rejoint par le fabricant 3D Systems en 2013 suite au rachat de l’entreprise française Phenix Systems, spécialisée dans le développement de machines DMLS. Si on reste en France justement on peut citer AddUp et sa FormUp 350. Notons également que GE Additive propose, grâce aux imprimantes 3D Concept Laser, l’un des plus grands volumes d’impression 3D métal avec la X Line 2000R (800 x 400 x 500 mm).

On retiendra bien entendu l’entreprise allemande SLM Solutions, mais aussi Trumpf et l’italien Sisma. Renishaw est également un important acteur sur ce marché.

* Crédits photo de couverture : DMG Mori

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