La puissance de la fabrication de métaux hybrides : Tirer parti de l'impression 3D et des méthodes traditionnelles

La fabrication hybride de métaux intègre des processus additifs et soustractifs afin d'optimiser la conception et la production de pièces métalliques. Cet article explique comment la combinaison de l'impression 3D, de l'usinage, du formage et d'autres procédés permet de concevoir de nouveaux modèles pour les industries à la recherche de composants métalliques complexes et personnalisés dotés de propriétés améliorées.

Fabrication de métaux hybrides : Combiner les techniques traditionnelles et les techniques de pointe

Une nouvelle approche de la fabrication

La fabrication conventionnelle de métaux hybrides est en train d'être transformée par la possibilité que les matériaux métalliques puissent être utilisés pour la fabrication d'autres produits. Impression 3D et la fabrication additive, en ce sens qu'elles permettent de développer de nouvelles formes inutilisées dans la fabrication. Mais ces nouvelles techniques sont également limitées par la taille et la complexité de la construction, la résolution possible et les caractéristiques des matériaux.

Mélanger le meilleur des deux mondes

L'approche proposée consiste à utiliser la fabrication additive en synergie avec les techniques conventionnelles d'usinage des métaux. Des structures internes complexes peuvent être Pièces imprimées en 3D dans des volumes de construction plus importants. Les surfaces externes complexes peuvent être usinées avec une grande précision. Différents alliages aux propriétés optimisées peuvent être assemblés.

Cette approche hybride ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités et améliore les performances des pièces. La conception intégrale permet de réduire ou d'éliminer les étapes d'assemblage complexes. Des composants plus légers mais très résistants permettent de réduire les coûts des matériaux et d'améliorer la durabilité.

L'avenir de la fabrication hybride de métaux réside dans la combinaison efficace de ces techniques en fonction des exigences spécifiques de la pièce. Les chercheurs et les industriels explorent activement de nouveaux flux de travail hybrides pour faire passer la fabrication des métaux à la vitesse supérieure.

Contexte et définitions

Ce document définit la fabrication additive (AM), également connue sous le nom d'impression 3D, comme des technologies qui impliquent la création de pièces tridimensionnelles par le biais de processus qui construisent des couches de matériaux. Dans le cas de la fabrication additive métallique, il s'agit de faire fondre le matériau à l'aide d'un laser puissant ou d'un faisceau d'électrons tout en liant les poudres de métal dans un processus couche par couche. Les pratiques conventionnelles d'usinage des métaux comprennent les opérations mécaniques telles que le découpage, le pliage et le perçage. Les procédés de fabrication tels que le moulage, le forgeage, le cintrage, entre autres, caractérisent la mise en forme du métal par moulage ou pression mécanique. Les techniques d'assemblage telles que le soudage et la brasure permettent de fusionner des pièces métalliques distinctes.

La fabrication hybride de métaux combine stratégiquement les méthodes additives et traditionnelles. L'AM est utilisée pour les géométries internes complexes ou les structures légères en treillis qui ne sont pas réalisables avec d'autres méthodes. L'usinage traditionnel permet d'obtenir les surfaces de haute précision et les tolérances serrées requises. Les alliages utilisés dans les applications automobiles, tels que la haute résistance mécanique et la haute résistance à la corrosion, peuvent être combinés sans effort. Cette intégration des approches permet d'exploiter le meilleur de chaque méthode tout en surmontant leurs effets, ce qui permet de fabriquer des produits fonctionnels, très performants et rentables destinés à être utilisés dans les domaines suivants aérospatiale, électronique, médicalet d'autres industries.

Motivation pour la fabrication hybride

L'adoption des techniques de fabrication de métaux hybrides est motivée par plusieurs raisons :

• Il permet de produire des pièces et des composants à géométrie complexe, ce qui n'est pas possible avec les seules méthodes traditionnelles.
• Les caractéristiques internes peuvent être optimisées en termes de résistance, de légèreté ou d'exigences fonctionnelles grâce aux techniques additives.
• La précision et les tolérances plus strictes pour les surfaces extérieures et les pièces mobiles nécessitent des capacités d'usinage traditionnelles.
• Différents matériaux métalliques optimisés pour diverses applications, tels que des alliages à haute résistance mécanique ou à la corrosion, peuvent être assemblés.
• Globalement, elle permet de concevoir et de produire des structures plus fonctionnelles à moindre coût par rapport aux méthodes traditionnelles.
• Champ d'application de la révision

Cette étude donne un aperçu des recherches et des applications actuelles dans le domaine de la fabrication de métaux hybrides. Elle présentera certaines des principales techniques additives et traditionnelles combinées dans de nouveaux flux de travail innovants. Certains exemples de combinaison de différentes méthodologies pour la fabrication de pièces métalliques complexes pour des industries telles que l'aérospatiale et la biomédecine seront également analysés. Les limites de cette vision et certains problèmes susceptibles d'être rencontrés au cours de sa mise en œuvre seront également soulignés.

L'objectif de cette étude est de présenter non seulement l'état actuel de l'art en matière de fabrication de métaux hybrides de nouvelle génération, mais aussi de discuter des développements futurs qui pourraient être permis par les méthodes hybrides qui seront examinées dans ce document.

Classification de la fabrication hybride

Il existe plusieurs classifications principales de la fabrication hybride de métaux en fonction des étapes intégrées aux techniques traditionnelles :

• Les hybrides de post-traitement utilisent des méthodes soustractives telles que l'usinage pour améliorer l'état de surface des pièces fabriquées de manière additive.
• Les hybrides à forme quasi-nette visent à réduire les délais de fabrication additive grâce à une première mise en forme traditionnelle avant l'impression 3D de détails fins.
• Les hybrides multimatériaux associent différents alliages fabriqués par AM avec des propriétés différentes.
• Les hybrides tolérancés tirent parti de la précision du fraisage ou du tournage pour usiner les préformes AM conformément aux dessins techniques.
• Les hybrides topologiques optimisent les structures internes grâce à l'AM et à l'assemblage traditionnel de cette architecture.
• Technologies de fabrication de métaux hybrides

Calendrier de développement

Née en 1980, l'AM des métaux a parcouru un long chemin. Les premières technologies impliquaient SLS et l'impression 3D de métaux avec des liants polymères interconnectés. La modernisation de la fusion sur lit de poudre et du dépôt par énergie dirigée a été commercialisée dans les années 2000. Ces dernières années ont permis l'AM d'alliages à haute performance ainsi que d'alliages multimatériaux et de polymères. Impression 3D multi-matériaux.

Classification des processus d'AM

Il existe deux grands sous-groupes de techniques d'AM des métaux : la fusion sur lit de poudre et les procédés de dépôt par énergie dirigée. Dans les procédés de fusion sur lit de poudre, les poudres métalliques sont assemblées en appliquant successivement de fines couches de poudres métalliques à l'aide de moyens thermiques tels que des lasers ou des faisceaux d'électrons. De nouvelles couches de poudre sont déposées puis fusionnées. Le dépôt par énergie dirigée dirige l'énergie thermique focalisée (laser ou faisceau d'électrons) pour fusionner les matériaux (poudre ou fil) au fur et à mesure qu'ils sont déposés couche par couche.

Procédés de fusion sur lit de poudre

La fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) sont les deux approches fondamentales du processus de fusion sur lit de poudre. Dans la fusion par laser sélectif, un laser balaie simplement le lit de poudre pour fusionner une particule donnée avec une autre particule. Dans l'EBM, les poudres métalliques sont bien fondues et fusionnées à l'aide d'un faisceau d'électrons focalisé. Les composants peuvent être construits à partir de niveaux hiérarchiques variables de données de modèles 3D de manière laminaire.

Procédés de dépôt par énergie dirigée

Les procédés de dépôt d'énergie dirigée (DED) comprennent la mise en forme de filets par laser (LENS) et la fabrication de formes libres par faisceau d'électrons. A modélisation par dépôt en fusion Une source d'énergie thermique est utilisée pour fusionner des matériaux (par exemple des fils ou des poudres métalliques) au fur et à mesure qu'ils sont déposés. Ce procédé permet d'effectuer des réparations ou de fabriquer des métaux hybrides en déposant des matériaux sur une pièce existante. Les pièces sont construites directement, sans structure de support.

Fabrication additive hybride avec plusieurs sources d'énergie thermique

Les approches hybrides de l'AM, qui exploitent plusieurs sources d'énergie thermique focalisées comme les lasers et les faisceaux d'électrons, suscitent un intérêt croissant. Cela permet de combiner les avantages des différentes interactions énergie-matériau.

GMA-DED / PA-DED assistés par laser

Le procédé GMAW-DED ou PAW-DED utilise un arc métallique gazeux ou un arc électrique. découpe au plasma pour déposer le matériau de soudure. Un laser coaxial fournit un chauffage localisé supplémentaire pour augmenter la vitesse et le contrôle du dépôt. Cela améliore le dépôt des alliages réactifs et permet le dépôt de matériaux dissemblables.

GTA-DED assisté par laser

Le procédé GTAW-DED utilise une torche de soudage à l'arc au tungstène pour le dépôt du matériau. Un laser fournit un chauffage supplémentaire au bain de soudure pour un meilleur contrôle de la géométrie. Cette technique facilite l'AM d'alliages difficiles à souder et à forte conductivité, comme le cuivre.

Analyse et défis

L'utilisation de deux sources d'énergie offre une plus grande souplesse de conception, mais introduit une complexité en termes de contrôle et d'optimisation des processus. Des facteurs tels que le couplage des énergies, le séquençage et le positionnement doivent être pris en compte. Les contraintes résiduelles et les distorsions dues au chauffage multi-sources doivent également être analysées. D'autres travaux visent à caractériser pleinement les performances des matériaux à partir de ces approches avancées de fabrication de métaux hybrides.

Fabrication additive hybride avec procédés d'enlèvement de matière

L'intégration de l'enlèvement de matière dans la fabrication de métaux hybrides élargit l'espace de conception et améliore la qualité des pièces. Cette opération est généralement réalisée après le dépôt, mais elle peut également être intégrée à mi-parcours.

Intégration pendant la séquence de fabrication

Une approche courante consiste à usiner grossièrement un substrat ou une plaque de base avant l'AM. Cela permet d'établir la géométrie initiale de la pièce et les surfaces de serrage pour une fixation sûre pendant le dépôt ultérieur.

Il est également possible de construire de manière additive les "préformes" initiales des caractéristiques critiques, puis de les façonner à l'aide d'outils soustractifs. Par exemple, des canaux de refroidissement complexes peuvent être ébauchés par dépôt de métal au laser avant d'être usinés jusqu'aux dimensions finales.

Certaines technologies, comme la fabrication par dépôt de formes (SDM), utilisent le fraisage entre les couches de dépôt verticales. Cela permet d'affiner les surfaces inclinées rugueuses et de préserver la précision de la position pour le dépôt suivant.

Les travaux visent également à développer des capacités d'usinage en cours de processus. Une tête d'outil rétractable pourrait dégager les structures de soutien pendant la construction ou modifier la trajectoire et la géométrie du dépôt en temps réel.

Défis et solutions

L'intégration de l'enlèvement de matériau risque d'endommager ou de dégrader le matériau tel qu'il a été déposé. Technologie de découpe au laser les lubrifiants et les liquides de refroidissement doivent être soigneusement sélectionnés pour ne pas réagir avec les alliages ou les affaiblir.

La robustesse de la fixation est essentielle pour localiser avec précision les pièces à usiner. Les approches en cours de fabrication nécessitent des systèmes multi-têtes étroitement coordonnés. Les contraintes résiduelles dues au chauffage et au refroidissement localisés compliquent encore la stabilité des pièces.

Pour y remédier, de nombreux procédés de fabrication de métaux hybrides utilisent des méthodes d'usinage sans contact, comme l'ablation par ultrasons ou par laser, afin d'éviter les contraintes mécaniques. La surveillance du processus en temps réel permet également un contrôle en retour des différentes étapes de fabrication.

Fabrication additive hybride métallique avec procédés de mise en forme

Procédés de traitement thermique

Les pièces fabriquées de manière additive subissent souvent des traitements thermiques de mise en solution et de recuit afin de réduire les contraintes internes et d'affiner la structure des grains. Certaines techniques de fabrication hybride de métaux intègrent des traitements thermiques localisés directement dans le processus de fabrication additive.

Par exemple, le dépôt direct de métal assisté par laser peut immédiatement mettre en solution le matériau dans la région du bain de fusion pendant qu'il se solidifie. Cela permet d'améliorer les limites d'élasticité et de résoudre des problèmes tels que la fragilisation.

HIP et travail à froid

Le pressage isostatique à chaud (HIP) densifie les matériaux poreux tels qu'ils ont été déposés à des densités proches des densités théoriques, améliorant ainsi leurs propriétés. Certaines approches utilisent le pressage isostatique à chaud à mi-construction pour densifier sélectivement des zones telles que les régions porteuses tout en préservant les structures en treillis.

Le laminage à froid, le grenaillage de précontrainte et d'autres traitements de surface sont également incorporés pour conférer les avantages de l'écrouissage sans introduire de distorsion due au traitement en vrac.

Intégration dans les processus de formage en vrac

Forgeage

Le forgeage en matrice ouverte ou fermée est utilisé pour consolider et déformer les préformes formées de manière additive en composants de forme nette ou proche de la forme nette. Les conceptions initiales de l'AM optimisent le placement des matériaux pour un formage efficace sans défauts.

Pliage et filage

Les techniques de laminage de feuilles ou de dépôt linéaire permettent de former des pièces cylindriques ou coniques pour la fabrication hybride de métaux par des opérations ultérieures de filage ou de pliage comme le fluotournage.

Intégration dans les processus de formage des feuilles

Les matériaux en feuilles présentant des hétérogénéités spécifiques peuvent être traités de manière additive, puis transformés en formes 3D complexes à l'aide de méthodes d'emboutissage ou d'hydroformage conventionnelles. La rigidité graduelle obtenue grâce au modelage additif améliore la ductilité du formage.

Intégration avec les processus d'assemblage par formage

L'AM par extrusion permet d'assembler et de façonner des sous-ensembles de fabrication hybride de métaux à la manière d'une forge. Les profils initiaux peuvent être déposés de manière additive, puis assemblés et consolidés en continu à l'aide de chaleur et de compression localisées. Cela permet de produire des armatures métalliques intégrées.

Conclusion

La fabrication métallique hybride est un domaine en pleine évolution qui exploite les atouts des techniques additives et traditionnelles de transformation des métaux. En intégrant stratégiquement différents processus à divers stades de la production de composants, les fabricants peuvent créer des pièces métalliques géométriquement complexes aux performances optimisées. La liberté de conception personnalisée et les propriétés des matériaux obtenues grâce aux flux de travail hybrides continuent d'élargir le potentiel d'application des produits métalliques fabriqués.

Cependant, des développements supplémentaires sont encore nécessaires pour exploiter pleinement les capacités de cette approche. Des recherches plus approfondies sur la synchronisation des têtes multiples, la méthodologie de contrôle des processus pour les entrées combinées et les solutions de fixation robustes peuvent améliorer la qualité des pièces et la répétabilité de la fabrication. De nouvelles formulations d'alliages métalliques et de nouvelles procédures de traitement thermique peuvent également s'avérer nécessaires pour répondre à la demande d'itinéraires de traitement intégrés. Les normes doivent continuer à être développées pour qualifier les pièces de la fabrication hybride de métaux pour les industries critiques.

FAQ

Q : Quels sont les flux de production hybrides les plus courants ?

R : Les approches courantes comprennent la fabrication hybride de noyaux et d'inserts complexes associée à l'usinage traditionnel des surfaces extérieures, la superposition additive de différents alliages assemblés par soudage, et l'intégration du formage, du traitement thermique ou de l'assemblage avec des préformes imprimées en 3D.

Q : Quels sont les avantages de la fabrication hybride ?

R : Il permet d'optimiser la conception des pièces pour diverses techniques de fabrication de métaux hybrides, d'améliorer les propriétés grâce à l'intégration de multimatériaux, de réduire les étapes d'assemblage et d'obtenir des tolérances plus étroites par rapport aux approches uniquement additives.

Q : Quels sont les défis posés par la fabrication hybride ?

R : L'intégration de divers processus risque d'entraîner des dommages ou des dégradations, les contraintes résiduelles dues au chauffage/refroidissement en plusieurs étapes sont complexes à traiter, et les systèmes à têtes multiples étroitement synchronisés nécessitent un affinement du contrôle des processus.

Q : Quels sont les secteurs qui adoptent les techniques hybrides ?

R : Les secteurs clés sont l'aérospatiale, les soins de santé, l'automobile et l'énergie, où les exigences en matière de résistance, de complexité et de personnalisation sont à l'origine de méthodes de fabrication métallique innovantes.