L'impact de l'impression 3D sur les techniques traditionnelles de fabrication des métaux

L'article à l'étude traite de la manière dont l'impression 3D de métaux produit de nouvelles techniques ayant un impact sur des méthodes telles que le moulage, l'usinage et le formage. Il explique également comment le métal, par le biais de l impression 3D personnalisée et de fournir une évaluation générale de son impact sur la chaîne d'approvisionnement et les coûts, de ses applications, de ses avantages par rapport aux méthodes traditionnelles et de ses inconvénients.

L'impact de l'impression 3D sur les techniques traditionnelles de fabrication des métaux

Technologie d'impression sur métal

Nous appelons simplement la technologie d'impression 3D sur métal la fabrication additive de métaux. Il s'agit du processus de création d'objets métalliques par le biais d'une technique de fabrication additive par couches. Quelques points essentiels à connaître sur la technologie d'impression des métaux :

Processus: Les procédés courants d'impression 3D de métaux sont la fusion sélective par laser (SLM), le frittage direct par laser (DMLS) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Ces procédés consistent à faire fondre et fusionner plusieurs fines couches de poudre métallique pour former l'objet solide final.

Matériaux : Les matériaux utilisés peuvent être l'acier inoxydable, l'aluminium, le titane, les alliages de nickel, le cuivre, les alliages de chrome et de cobalt, entre autres. La gamme s'élargit au fur et à mesure que l'efficacité s'améliore.

Comment cela fonctionne-t-il ? Cette technique implique l'utilisation d'un laser ou d'un faisceau d'électrons par lequel des couches de poudre ou de fil métallique sont soumises à l'énergie et collées pour former le dessin prévu. Chaque couche suivante adhère solidement à la précédente pour former la pièce finale couche par couche.

Principaux procédés d'impression 3D de métaux

Les méthodes les plus connues d'impression 3D de métaux utilisées aujourd'hui sont la fusion sélective par laser (SLM), le frittage direct par laser (DMLS) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Dans le cas des méthodes SLM et DMLS, le faisceau laser est utilisé pour faire fondre la poudre métallique, tandis que dans le cas de la méthode EBM, les couches de poudre sont fondues à l'aide d'un faisceau d'électrons. La fusion multijet est également utilisée pour le frittage sélectif par laser. Elle s'améliore car elle imprime plus rapidement et permet de combiner différents matériaux pendant le processus d'impression.

Matériaux d'impression 3D en métal

Les matériaux utilisés dans l'impression 3D de métaux sont l'acier inoxydable, l'aluminium, les alliages de nickel, le titane et le cuivre. Le choix des matériaux s'élargit au fur et à mesure que la technologie se développe pour répondre à un plus grand nombre de besoins et de demandes de l'industrie.

Techniques de fabrication

Méthodes traditionnelles de fabrication des métaux

Avant l'avènement de la fabrication additive, les techniques courantes de mise en forme des métaux bruts comprenaient des processus d'usinage tels que le tournage, le fraisage et le meulage, des techniques de formage telles que l'estampage, le cintrage et le filage, ainsi que la coulée de métal en fusion dans des moules. Ces méthodes soustractives et formatives enlèvent ou façonnent le matériau en vrac pour fabriquer des pièces en grandes quantités, mais elles sont limitées par les géométries et les conceptions qu'elles peuvent produire.

Usinage CNC

L'usinage CNC (commande numérique par ordinateur) utilise des outils de coupe fixés sur des machines à plusieurs axes pour enlever l'excédent de matière des pièces métalliques, sur la base d'instructions programmées sous forme de code G. Tout en offrant la précision, Usinage CNC génère des déchets de copeaux et convient mieux à la production de profils de base qu'aux caractéristiques internes complexes et aux possibilités de conception légère.

Fonte des métaux

Les techniques de moulage, telles que le moulage en sable, le moulage sous pression et le moulage à la cire perdue, consistent à couler des alliages métalliques liquéfiés dans des moules afin de les solidifier pour obtenir des composants de forme presque nette. Le moulage permet de produire des sections complexes adaptées à une production de faible à moyen volume, mais il implique des coûts de fabrication des moules.

Formage de tôles

Des procédés tels que le poinçonnage, l'emboutissage, le pliage et le filage permettent de façonner des feuilles et des plaques de métal en pièces grâce à des forces de compression appliquées entre les outils. Le formage en série permet de fabriquer des pièces identiques de manière efficace, mais il présente des limites de conception par rapport aux capacités de l'impression 3D de métaux.

Impact sur la fabrication

Des chaînes d'approvisionnement plus courtes

Guide de l'impression 3D simplifie les chaînes d'approvisionnement en intégrant plusieurs étapes de fabrication en un seul processus. Il n'est plus nécessaire de procéder à des étapes intermédiaires telles que l'usinage à chaud ou à froid, la découpe, l'assemblage ou le montage. Les pièces peuvent être produites à la demande partout où il existe une imprimante 3D métal et des approvisionnements en poudre, ce qui réduit les longs délais de fabrication et le besoin de stocks de sécurité.

Réduction des déchets et de l'utilisation de matériaux

En ne déposant que le matériau précis là où il est nécessaire, couche par couche, l'impression 3D métal minimise les déchets par rapport aux techniques soustractives qui éliminent l'excès de matière en vrac. Les pièces à densité presque totale nécessitent 5-10% de moins de matériau que les pièces traditionnelles et jusqu'à 97% de poudre métallique peuvent être réutilisées. Cela permet de réduire la consommation d'énergie et les coûts tout en diminuant l'impact sur l'environnement.

Réduction des coûts pour les productions personnalisées et en petites séries

Les coûts fixes élevés des usines traditionnelles de fabrication de masse sont évités grâce aux imprimantes 3D en métal, dont les exigences en matière de dépenses d'investissement sont moindres. La fabrication additive est donc intéressante pour la production de faibles volumes, car les coûts par pièce n'augmentent pas de manière significative pour les composants non standard ou sur mesure. Les séries de production aussi petites qu'une seule sont abordables.

Liberté de conception accrue et géométries complexes

Les techniques additives imposent moins de contraintes géométriques à la conception des pièces que l'usinage soustractif ou les capacités d'impression 3D de métaux par procédé formatif. Des structures internes complexes, des canaux de refroidissement conformes et des implants spécifiques au patient sont possibles sans limites d'outillage. L'allègement peut être optimisé pour la résistance.

Applications d'impression sur métal

Industrie aérospatiale

L'impression 3D de métaux permet aux fabricants d'avions et d'engins spatiaux de produire des composants de plus en plus complexes et de faible volume, tels que des pales de turbines et des échangeurs de chaleur. Les pièces dont la conception est optimisée et qui réduisent le poids permettent de réaliser d'importantes économies en termes de performances et de carburant. Le titane et les alliages de nickel sont couramment utilisés pour répondre à des spécifications mécaniques rigoureuses.

Industrie automobile

Les sports mécaniques et les véhicules haut de gamme sont les premiers à adopter l'impression 3D de pièces métalliques pour des applications telles que les composants de moteur, en raison des avantages liés à la vitesse et à la personnalisation. Les constructeurs automobiles de grande série étudient également les possibilités, telles que les boucliers thermiques utilisant des structures en treillis légères. Les alliages d'aluminium sont des matériaux populaires.

Industrie médicale

La production réglementée d'implants, de prothèses et d'outils chirurgicaux biocompatibles en titane et en alliages cobalt-chrome est bien établie. Les dispositifs personnalisés améliorent les résultats pour les patients et le rapport coût-efficacité par rapport aux alternatives disponibles sur le marché.

Autres industries

La fabrication additive à partir de métaux tels que l'acier inoxydable s'étend à des secteurs tels que les machines industrielles, le pétrole/gaz, la défense et la production d'énergie. Les applications spécialisées tirent parti de la liberté de conception, tandis que la fabrication générale explore la rentabilité par rapport à la production traditionnelle.

Comparaison des processus

Avantages de l'impression 3D sur métal

La fabrication additive permet une plus grande complexité géométrique, une optimisation de la conception et une fabrication personnalisée par rapport aux techniques soustractives. La simplification de la chaîne d'approvisionnement et la réduction des déchets diminuent les coûts, tandis que l'évolutivité de la production profite aux volumes faibles à moyens. Des structures internes complexes en treillis sont possibles.

Limites de l'impression 3D de métaux

Les propriétés mécaniques de l'ensemble peuvent varier en fonction de l'orientation de la construction. Un post-traitement est parfois nécessaire. Les coûts plus élevés des matériaux et les temps de fabrication plus longs que pour la production de masse limitent les applications. Les pièces de grande taille peuvent dépasser les dimensions de l'imprimante. Le nombre de nuances de métaux disponibles est inférieur à celui des alliages corroyés standard.

Quand recourir à la fabrication traditionnelle ou à la fabrication additive ?

La fabrication traditionnelle conserve ses avantages pour les composants standardisés de grand volume grâce aux économies d'échelle. Le moulage complexe est viable pour les pièces spécialisées de grande taille et de faible volume. Le choix du procédé optimal dépend de la conception et du matériau de la pièce, de l'échelle et de la fréquence de production, et de l'influence de la géométrie standard ou personnalisée sur l'approche de fabrication. Souvent, les deux méthodes sont intégrées au sein des industries.

Intégration de la technologie

Combiner les méthodes traditionnelles et additives

Plutôt que de remplacer les techniques existantes, L'impression 3D dans le prototypage s'intègre dans les écosystèmes de fabrication. Le moulage en forme de filet permet d'obtenir un stock pour l'usinage CNC. Les moules imprimés produisent des pièces moulées de manière conventionnelle. Les méthodes soustractives complètent les pièces imprimées semi-finies nécessitant des tolérances serrées. Les processus hybrides tirent parti des avantages des méthodes respectives pour obtenir des résultats multi-matériaux et multi-attributs.

Sous-traitance à des fabricants spécialisés

Alors que les grands équipementiers intègrent des capacités d'impression 3D métal en interne, de nombreux fournisseurs tirent profit de l'externalisation des travaux de fabrication additive métal. Les fabricants sous contrat offrent un accès économique à la fabrication avancée sans avoir à recourir à des moyens importants. investissement en capital. Les partenaires offrent un soutien au développement d'applications, une optimisation de la production, un post-traitement, des essais et des services de certification. Les clients se concentrent sur leurs compétences de base tandis que les spécialistes garantissent la conformité technique et réglementaire pour l'introduction de nouveaux produits.

Conclusion

L'intégration de l'impression 3D de métaux dans la fabrication courante gagne du terrain à mesure que les deux technologies continuent d'évoluer rapidement. Si la fabrication traditionnelle restera importante pour la production de gros volumes, les avantages de la fabrication additive en termes de complexité de la conception, d'efficacité de la chaîne d'approvisionnement et de personnalisation des composants à faible volume lui permettent de s'imposer dans tous les secteurs d'activité.

À mesure que les améliorations apportées aux matériaux et à la vitesse réduisent les coûts de la technologie, l'impression 3D de métaux concurrencera de plus en plus l'usinage traditionnel, non seulement pour les prototypes, mais aussi pour les pièces de production finales. Les avantages complémentaires des deux méthodes de fabrication seront également davantage combinés grâce à des solutions automatisées hybrides. En fin de compte, les capacités révolutionnaires de la fabrication additive à transformer les flux de travail de conception et de fabrication seront à l'origine de son influence croissante sur les normes industrielles futures et la compétitivité mondiale.

FAQ

Quels matériaux peuvent être utilisés pour l'impression 3D de métaux ?

Les matériaux courants sont l'acier, l'aluminium, le titane, les superalliages de nickel et le cuivre. Une variété croissante d'alliages métalliques est évaluée et optimisée pour les processus additifs.

Combien de temps faut-il pour imprimer en 3D une pièce métallique ?

Les délais d'impression varient considérablement en fonction de facteurs tels que le matériau, la taille de la pièce et le type ou les paramètres de l'imprimante. L'impression de pièces simples peut prendre quelques heures, tandis que la construction couche par couche de modèles plus complexes peut nécessiter plusieurs jours.

Un post-traitement est-il nécessaire pour les métaux imprimés en 3D ?

Certains types de post-traitement tels que le nettoyage, le traitement thermique ou l'usinage peuvent être nécessaires pour obtenir les propriétés dimensionnelles et mécaniques finales. L'enlèvement de la structure de soutien est également généralement nécessaire.

Quelles sont les industries qui utilisent des pièces métalliques imprimées en 3D ?

Les secteurs clés comprennent l'aérospatiale, les soins de santé, l'automobile, l'équipement industriel et les produits de consommation. Des applications spécialisées existent dans les domaines de la défense, du pétrole/gaz, de la marine, etc.

Comment les coûts de l'impression 3D de métaux se comparent-ils à ceux de la fabrication traditionnelle ?

Pour les petites séries et les conceptions complexes et personnalisées, la fabrication additive est souvent plus abordable. Pour les volumes de production plus importants, les techniques conventionnelles sont généralement privilégiées en raison des économies d'échelle qu'elles permettent de réaliser.