La fabrication additive (impression 3D) s'est développée rapidement ces dernières années et est de plus en plus utilisée pour la production de petits lots dans l'industrie. En raison d'une grande variété de domaines d'application, le portefeuille de matériaux des diverses technologies d'impression 3D est en croissance constante. La flexibilité matérielle particulièrement marquée du procédé laser à base de lit de poudre LBM (Laser Beam Melting) en fait le procédé d'impression 3D métallique le plus répandu. Dans ce processus, de fines couches de poudre métallique sont appliquées sur un substrat, fondues localement par l’énergie du laser et liées à la couche précédente. De cette manière, de nombreuses couches créent un objet en trois dimensions. Ce principe additif crée de nouveaux degrés de liberté dans la conception. De plus, il est possible de générer des formes complexes pour les matériaux, qui sont classiquement très difficiles à usiner, par exemple en raison de leur dureté élevée. Les autres avantages de LBM incluent la flexibilité, la possibilité de construction intégrale et d'intégration fonctionnelle, une logistique améliorée, des temps de développement réduits et des produits individuels. Fondamentalement, le LBM offre une densité de matériau comparable et d'excellentes propriétés par rapport aux procédés classiques. La technologie est donc très bien adaptée à la production de pièces hautement sollicitées et optimisées pour la construction légère ou pour des applications fonctionnelles dans la technologie militaire.

Jusqu'à présent, peu d'alliages pour une large gamme d'applications

En raison du développement de paramètres actuellement complexes de nouveaux alliages pour l'impression 3D à base de LBM, quelques alliages sélectionnés sont utilisés pour une large gamme d'applications. Les alliages d'aluminium et de titane sont destinés au marché de la construction légère. Les alliages à base de nickel conviennent aux applications à haute température, l'acier inoxydable pour la construction mécanique et la fabrication d'objets d'art, les alliages de cobalt-chrome et de titane couvrent le marché de la technologie médicale et les aciers à haute résistance sont utilisés pour la fabrication d'outils. Les domaines d'application nécessitant des matériaux alternatifs ne sont actuellement servis que dans une mesure limitée. En particulier pour les applications dynamiques, comme dans le domaine des accidents de véhicules et notamment dans de nombreux domaines de la technologie de la défense, il n'existe actuellement aucun matériau commercialement approprié. Le Fraunhofer EMI développe donc ses propres paramètres de production pour le traitement de matériaux spéciaux. Le domaine de la protection et de l’efficacité de la technologie de défense est l’un des domaines d’accent.

Métaux lourds de haute qualité provenant de l'imprimante 3D

Par exemple, des paramètres pour la production de tungstène de haute qualité ont été développés. L'élément se caractérise par sa haute densité et le point de fusion le plus élevé de tous les métaux. Le traitement de métaux réfractaires tels que le tungstène montre que dans le procédé LBM, même les métaux difficiles à traiter conventionnellement peuvent être traités, bien que ceux-ci soient généralement considérés comme peu soudables et que le procédé LBM ressemble au principe de soudage au laser. Le développement de paramètres pour le tungstène a présenté aux scientifiques d’EMI des défis particuliers. En raison du rendement énergétique local élevé et des vitesses de refroidissement élevées lors du travail avec un faisceau laser, des processus de fissuration se produisent dans la microstructure. La formation de microfissures a été minimisée avec succès au cours des travaux. Le résultat est un matériau fragile d'une densité d'environ 19,2 grammes par centimètre cube, un tungstène pur fortement réduit en micro-fissures et optimisé en densité de l'imprimante 3D. Le matériau convient par exemple pour des applications de munitions ou des applications spéciales, telles que des collimateurs pour des détecteurs de rayons X. Les autres domaines d'application sont l'ingénierie électrique, la technologie médicale et les domaines d'application aux exigences thermiques les plus élevées.

Développement et optimisation efficaces des paramètres grâce à une méthodologie interne

Une méthode interne efficace est utilisée pour développer les jeux de paramètres. Cela permet aux paramètres de processus d'être développés relativement rapidement et avec peu d'effort. De cette manière, des matériaux spéciaux particulièrement coûteux peuvent également être développés à un moindre coût. La méthodologie est basée sur la prise en compte de l'interaction entre le faisceau laser et la poudre métallique ainsi que sur des plans d'essais statistiques. Les connaissances acquises seront également utilisées ultérieurement pour l'optimisation des paramètres spécifiques à l'application et pour le réglage des paramètres pour des composants spécifiques et leurs exigences pour la production. Pour la première caractérisation des matériaux résultants, des méthodes rapides telles que la détermination de la densité sont utilisées. Une fois l'ensemble de paramètres entièrement développé, le matériau est caractérisé à l'aide des équipements de mesure les plus modernes, tels que la rétrodiffusion d'électrons (EBSD) ou les images micro-CT, et les paramètres sont encore affinés.

Le développement d'une méthode interne de développement de paramètres pour les matériaux LBM permet la génération efficace de paramètres de production et donc l'utilisation de matériaux optimaux pour des domaines d'application spécifiques. Il a été démontré que même des matériaux difficiles à traiter peuvent être produits de cette manière en haute qualité. Il est également envisageable à l'avenir de développer de nouveaux types d'alliages qui ne peuvent être réalisés de manière conventionnelle. Par exemple, la vitesse de refroidissement élevée du procédé pourrait permettre une solubilité plus élevée des éléments d'alliage et donc de nouvelles propriétés de matériau. Lors de la sélection des futurs alliages, non seulement le domaine d'application doit être pris en compte, mais également la portée élargie de la liberté de conception nouvellement disponible. Si, par exemple, les exigences sont résolues de manière conventionnelle par des géométries basées sur des demi-outils (par exemple sur des plaques), celles-ci peuvent être résolues plus efficacement lors de l'utilisation de processus additifs utilisant des géométries alternatives (par exemple en utilisant des éléments de grille). Sur la base de la nouvelle géométrie, il est important de sélectionner un matériau approprié.

Source: Fraunhofer EMI