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Les imprimantes 3D métal : Tout ce qu’il faut savoir !

Le métal est certainement le matériau qui suscite le plus d’intérêt pour la fabrication additive. La qualité des pièces produites par les imprimantes 3D métal est tout aussi bonne voire meilleure que les pièces produites par les méthodes traditionnelles. Les coûts de fabrication additive sont largement inférieurs car les imprimantes 3D sont moins énergivores et les déchets sont considérablement réduits. L’impression 3D permet aussi d’optimiser la topologie des pièces imprimées. C’est ainsi que l’industrie aérospatiale a économisé des milliards de dollars sur le budget carburant en imprimant des pièces beaucoup plus légères.

Mais quelles sont les technologies existantes ? Quels sont les métaux disponibles ? Pour quelles applications ? Combien coûte une imprimante 3D métal ?

Si vous vous posez ces questions, cet article est fait pour vous !


Sommaire

  1. L’impression 3D métal grand public
  2. L’impression 3D métal en industrie
  3. Les applications
  4. Les technologies
  5. Les métaux
  6. Les fabricants d’ imprimantes 3D métal


1. L’impression 3D métal grand public

Depuis quelques temps, l’impression 3D métal commence à se faire connaitre auprès des particuliers. L’intérêt pour la fabrication métal est important car les possibilités qu’elle offre vont bien au delà des possibilités offertes par l’impression 3D plastique : esthétisme, fabrication de bijoux, de pièces fonctionnelles, d’ustensiles, etc…

Malheureusement, la fabrication métal à la maison, ce n’est pas pour aujourd’hui notamment à cause des température de fusion extrêmement élevées. Il faudra encore attendre plusieurs années avant de voir les premières imprimantes 3D métal sur votre table de salon. Le développement des nanotechnologies et des encres métalliques liquides comme l’argent offrent de belles perspectives pour l’impression 3D métal à l’horizon 2020.

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En attendant 2020, il existe des filaments PLA chargés en particules métalliques qui vous permettent d’imprimer des objets composés de 50% de plastique PLA et 50% de métal avec votre imprimante 3D FDM (à dépôt de fil fondu). Ces filaments contiennent suffisamment de PLA pour être extrudés à une température comprise entre 200 et 300°C et suffisamment de métal pour imprimer des objets d’aspect et de couleur métallique. Certains filaments à base de fer peuvent même rouiller dans certaines conditions.

La société Dutch3D annonce même avoir réussi à produire un filament composé de 85% de poudre métallique et 15% de PLA  imprimable avec une imprimante 3D classique et une température d’extrusion comprise entre 190 et 220°C. Vendus sous la marque FormFutura, les filaments disponibles sont le MetalFil – Bronze ancient et le MetalFil – Cuivre classique. Attention, si vous souhaitez avoir un effet de surface brillant, il faudra réaliser un post-traitement sur vos impressions métal (sablage, brossage, ponçage ou revêtement).



2. L’impression 3D métal en industrie

Les pièces imprimées en 3D ont des propriétés mécaniques équivalentes aux pièces fabriquées par coulée. La porosité d’un objet fabriqué par une imprimante 3D métal peut atteindre une densité supérieure à 99,5% en fonction des technologies d’impression. Le leader Américain Stratasys assure même que les métaux d’impression 3D ont des performances supérieures aux normes de l’industrie. A cela s’ajoute la possibilité de réduire considérable la quantité de matière utilisée contrairement à l’usinage qui génère énormément de déchets. De plus, l’optimisation topologique permet de réduire le poids des pièces imprimées en maintenant leurs performances mécaniques et structurelles.

optimisation topologique

Si la fabrication de pièces métalliques optimisées topologiquement par fabrication additive permet de réaliser d’importantes économies (comme la diminution de la consommation en carburant des avions grâce aux  pièces plus légères) il faut toutefois rester vigilant sur les coûts d’investissement.

Si vous êtes PDG d’une entreprise et que vous souhaitez investir dans une imprimante 3D métal, méfiez vous du retour sur investissement car les prix d’achat des imprimantes 3D métal industrielles comme EOS, prodways, BeAm ou encore Renishaw sont très élevés (100 000 à 500 000€). Sans compter les frais d’installation, de maintenance et de post-traitement des pièces imprimées. Si vous imprimez tous les jours des pièces métalliques à forte valeur ajoutée, le retour sur investissement peut être court sinon, il vaut mieux encore attendre en espérant que les prix diminuent au fur et à mesure que la technologie évolue. La sous-traitance par des services d’impression comme Shapeways, Sculpteo et iMaterialise peut être aussi une solution temporaire. Ces « imprimeurs 3D » proposent un large choix de matériaux :

  • aluminium
  • acier
  • laiton
  • cuivre
  • bronze
  • argent sterling
  • or
  • platine
  • titane

Vous pouvez également commander des modèles en cire pour la coulée des métaux spéciaux comme l’or ou l’argent par exemple.

A cause des prix élevés d’acquisition des imprimantes 3D métal, le nombre d’imprimeurs 3D métal se développe à travers le monde, n’hésitez pas à faire marcher la concurrence.



3. Les applications

Vous l’ignorez peut être mais la fabrication additive métal existe déjà dans plusieurs secteurs industriels.

  • Le secteur médical et dentaire fabrique des implants sur mesure.
  • La joaillerie imprime des bijoux en fabrication directe. La fabrication directe signifie que le produit fini est fabriqué par l’imprimante 3D contrairement à la fabrication indirecte qui consiste à imprimer en 3D un moule qui servira ensuite à fabriquer l’objet définitif par coulée.
  • L’industrie aérospatiale réalise des économies substantielles grâce à l’impression 3D métal. GE AvioAero a été la première entreprise à utilisé l’impression 3D métal pour fabriquer des composants de son turboréacteur LEAP.
  • L’industrie automobile utilise l’impression 3D métal depuis de nombreuses années pour la fabrication des prototypes mais de nombreux constructeurs commencent à vouloir intégrer des pièces définitives dans leurs voitures.

Notre rubrique industrie relate régulièrement les dernières innovations réalisées grâce aux imprimante 3D.

Il reste néanmoins des freins au développement de la fabrication additive métal pour de nombreuses industries comme les coûts d’investissement et les vitesses d’impression.



4. Les Technologies

Il existe plusieurs technologies pour imprimer des pièces métalliques, nous pouvons les classifier en 5 catégories :

a. Le frittage de poudre

b. La projection de liant

c. Le dépôt de métal

d. La projection de métal sous forme liquide

e. Les systèmes hybrides

Chaque fabricant possède sa propre terminologie mais toutes les technologies existantes peuvent être regroupées dans l’une ou l’autre de ces catégories.


    a. Le frittage de poudre

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Qu’elle s’appelle SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting) ou encore EBM (Electron Beam Melting), toutes ces technologies consistent à fusionner une fine couche de poudre métallique, soit par faisceau laser pour les fabricants : Concept Laser, EOS, 3D Systems, Realizer, Renishaw, SLM Solutions, Prodways, …, soit par faisceau d’électrons pour le fabricant Arcam. Le laser (ou le faisceau d’électron) fusionne les grains de poudre métallique sur la première couche de manière sélective. Une seconde couche recouvre ensuite la première et l’opération de fusion recommence à nouveau. La seconde couche est fusionnée avec la première et ainsi de suite pour obtenir un objet métallique imprimé en 3D. (crédit photo : 3DHubs)


    b. La projection de liant également appelée Binder Jetting

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Les couches successives de poudre métallique sont agglomérées par un liant organique projeté par une rampe d’impression multi-jets. La pièce obtenue est ensuite frittée dans un four à haute température (comme pour la céramique). Cette opération élimine le liant et agglomère les grains métalliques. Les fabricants d’imprimante 3D métal utilisant cette technologie sont : ExOne, VoxelJet, Höganäs entre autres. (crédit photo : 3DHubs)


    c. Le dépôt de métal

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Une autre technologie consiste à déposer la poudre métallique au travers une buse concentrique à un faisceau laser. Le laser fusionne la poudre sur un substrat ou sur la couche précédente.  Les fabricants qui utilise cette technologie appelée DMLS pour Direct Metal Laser Sintering sont : EOS, Optomec, Trumpf, BeAm. (crédit photo : 3DHubs)

Habituellement, le système s’exécute dans une chambre fermée mais un projet récent appelé MX3D montre que cette technologie peut également se réaliser en milieu ouvert. Le système faisceau laser et poudre est monté sur un bras articulé multi-axes et l’objet se construit couche après couche. Cette technologie de projection de métal est appelée DED (Directed Energy Deposition)

Le fabricant de matériels de soudage Sciaky propose des machines permettant de déposer un fil de titane qui est soudé sur la couche précédente. Appelée  EBAM, la technologie de Sciaky ressemble à un processus de soudage par lequel un faisceau d’électrons très puissant est utilisé pour faire fondre le fil de titane de 3 mm d’épaisseur. Sauf si vous travaillez pour la Défense Américaine, il y a peu de chance pour que vous utilisiez cette technologie.

Enfin, il existe une dernière méthode de dépôt de métal, le dépôt d’une pâte de métal par extrusion. Identique au procédé artisanal de fabrication d’objet en céramique, la poudre métallique est mélangée dans une pâte de métal. Cette pâte peut ensuite être extrudée dans une imprimante 3D pneumatique (de la même manière que les imprimante 3D alimentaire) pour imprimer un objet en métal. Ce dernier doit ensuite être cuit dans un four pour se solidifier. Cette technologie est la plus abordable des imprimantes 3D métal. La Mini Metal Maker est la seule imprimante 3D  qui utilise ce matériau.

    d. La projection de métal sous forme liquide (encre métallique)

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Le développement des encres liquides métalliques n’en est encore qu’à ses balbutiements mais cette technologie ouvre beaucoup de perspectives pour la fabrication additive métal dans les années à venir. La technologie de projection de métal sous forme liquide consiste à projeter des nanoparticules métalliques solides en suspension dans une solution liquide. Cette technologie a été brevetée par Xjet et baptisée NanoParticule Jetting. Les têtes d’impression du système de XJet déposent une couche ultra-fine de gouttelettes liquides qui contiennent le métal. La température à l’intérieur de l’imprimante est telle que d’une part le liquide s’évapore libérant ainsi les naoparticules métalliques et d’autre part fusionne les particules entre elles pour former l’objet. Un frittage de l’objet est nécessaire pour le consolider. (crédit photo : 3DHubs)

    e. Les systèmes hybrides

Il existe des système hybride qui utilise plusieurs méthodes de fabrication comme le fabricant Fabrisonic et sa technologie UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing). Cette techno hybride utilise des robots 3 axes et une machine de découpe CNC. Le principe consiste à déposer une fine plaque de métal, de la découper pour former la première couche de l’objet puis déposer la seconde plaque métallique qui sera soudée par ultrasons sur la première plaque et découpée à son tour pour former la seconde couche et ainsi de suite.

Ces technologies sont plus ou moins adaptées en fonction des applications. Il faut noter que la différence de prix en fonction des technologies peut être énorme en fonction de leur niveau de maturité.



5. Les métaux

Les coûts d’investissement et les vitesses d’impression ne sont pas les seules limites à la fabrication additive, il y a également les logiciels et les matériaux. Les logiciels les plus avancés pour les imprimantes 3D métal sont ceux fournis par les éditeurs Autodesk, Solidworks et SolidThinking. Nous rédigerons un article complet sur les avantages et inconvénients des logiciels de CAO 3D. Les métaux imprimables sont déjà nombreux et la liste ne cesse d’évoluer. Voici une liste des métaux qui risque vite d’être non exhaustive.

    a. Le titane

Le titane pur (Ti64 ou TiAl4V) est l’un des métaux les plus couramment utilisés en impression 3D. C’est sûrement l’un des plus polyvalent car il est à la fois solide et léger. Il peut être utilisé en forme de poudre pour être fusionné ou collé. Il est principalement utilisé dans l’industrie médicale pour faire des prothèses personnalisés cat il est bio-compatible, dans l’industrie automobile et aérospatiale pour fabriquer des prototypes et des pièces définitives. Par contre, il est très réactif , c’est à dire qu’il risque d’exploser facilement sous forme de poudre. C’est la raison pour laquelle il doit être imprimé dans un milieu sous vide d’air ou dans une chambre de gaz d’argon.

    b. L’acier inoxydable

L’acier inoxydable est l’un des métaux les plus abordables pour la fabrication additive. C’est  un alliage d’acier comportant moins de 1,2 % de carbone et plus de 10,5 % de chrome. Il a la propriété d’être peu sensible à la corrosion et ne se dégrade pas en rouille.Il est très solide et est utilisé dans une grande variété d’applications industrielles, artistiques et de conception. Ce type d’alliage d’acier contient du cobalt et du nickel. Il est particulièrement difficile à briser tout en ayant des propriétés élastiques très élevées. L’acier inoxydable 316L est utilisé presque exclusivement pour les applications industrielles.

    c. L’inconel

L’ inconel est un superalliage dont la marque a été déposée par Special Metals Corporation. Il désigne différents alliages de métaux. La marque est utilisée comme préfixe pour environ 25 alliages. Les plus couramment utilisés sont l’Inconel 600, l’Inconel 625 (NiCr22Mo9Nb), et l’Inconel 718 (NiCr19Fe19Nb5Mo3). Il est composé principalement de nickel et de chrome, et il présente une résistance à haute température. Ceci est la raison pour laquelle il est utilisé principalement pour des applications dans les industries pétrolières, chimiques et de l’aérospatiale (pour les boîtes noires d’avion).

    d. L’aluminium

En raison de sa légèreté et de sa polyvalence, l’aluminium est un métal très populaire pour les applications d’impression 3D. Il est utilisé principalement sous forme d’alliage à base de différents aluminium.

    e. Le cobalt-chrome

Cet alliage métallique possède une résistance très élevée. Il est couramment utilisé pour produire des turbines, des implants dentaires, et des implants orthopédiques. Cet alliage est de plus en plus utilisé dans l’industrie.

    f. Le cuivre-bronze

Le cuivre et le bronze sont principalement utilisés dans les processus de moulage à cire perdue et pas dans les processus de fusion de lit de poudre. Ils sont plus souvent utilisés dans le domaine de l’art et de l’artisanat. ColorFabb utilise ces métaux dans ses filaments spéciaux.

    g. Le fer

Le fer ainsi que le fer magnétique est utilisé comme additif dans les filaments spéciaux en PLA, notamment les filaments ProtoPasta et TreeD.

    h. L’or, l’argent et autres métaux précieux

La plupart des imprimantes 3D métal par fusion de couches de poudre sont capables d’imprimer les métaux précieux tels que l’or, l’argent et le platine. L’enjeu consiste à obtenir un état de surface irréprochable et veiller à une gestion optimisée de la poudre de forte valeur pécuniaire. Ces métaux précieux sont bien sur utilisé par les enseignes de la joaillerie mais également dans l’industrie médicale et les applications électroniques.



6. Les fabricants d’ imprimantes 3D métal

Si vous souhaitez acquérir une imprimante 3D métal, il vous faudra débourser entre 100 000 et 250 000€ minimum. Il est difficile de faire une liste exhaustive de toutes les imprimantes 3D métal donc voici un échantillon des plus grandes machines existantes et une liste des fabricants d’imprimantes 3D métal.

    a. Les imprimantes 3D métal EBAM de Sciaky

Si vous souhaitez imprimer de grandes structures métalliques, le meilleur choix serait la technologie EBAM de Sciaky. Les machines EBAM sont construites à la demande et sont principalement utilisées dans l’industrie aérospatiale et la Défense des Etats-Unis. L’imprimante 3D métal EBAM la plus grande est l’EBAM 300. Cette dernière dispose d’un volume de construction de 5791 x 1219 x 1219 mm. La société affirme que l’imprimante EBAM 300 est l’une des imprimantes 3D métal les plus rapides disponibles dans le commerce. Elle peut produire une structure d’avion en titane de 300 cm en 48 heures, soit 6,8 kg de titane par heure. Alors qu’il faut 6 à 12 mois pour forger les pièces, l’imprimante 3D EBAM n’a besoin que de deux jours ! Cette technologie utilise un canon à électrons de puissance élevée pour faire fondre une épaisseur de 3 mm de titane sous forme de filament avec une vitesse de 3 à 9 kg par heure.

    b. L’imprimante 3D métal Fabrisonic UAM

Une autre façon d’imprimer des pièces métalliques de grandes tailles est d’utiliser la technologie  Ultrason Additive Manufacturing (UAM) de Fabrisonic. Les machines hybrides de Fabrisonic fonctionnent avec des robots trois axes équipés d’une tête de soudage et des fraiseuses CNC. Les couches métalliques sont d’abord découpées puis soudées entre elles par ultrasons. La plus grande imprimante 3D Fabrisonic est l’UAM 7200 qui dispose d’un volume de construction de 2 x 2 x 1,5 mètres.

    c. L’imprimante 3D métal XLine 2000R de Concept Laser

L’imprimante 3D XLine 2000R du fabricant Allemand Concept Laser dispose de deux lasers et d’un volume de construction de 800 x 400 x 500 mm. Concept Laser est l’un des fournisseurs des grandes entreprises aérospatiales comme Airbus. Cette machine utilise la technologie LaserCUSING de Concept Laser, un type de fusion laser sélective. Cette technologie permet d’imprimer des objets dans les alliages d’acier, l’aluminium, de nickel, de titane, de métaux précieux, et même certains matériaux purs comme le titane et des aciers de haute qualité.

    d.  L’imprimante 3D VX 4000 de VoxelJet

La VX4000 est l’une des plus grande imprimante 3D au monde avec un volume de construction de 4.000 x 2.000 x 1.000 mm. La VX4000 peut atteindre une résolution maximale de 300 dpi.

Liste des fabricants d’imprimantes 3D métal par technologie :

    a. Le frittage de poudre

    b. La projection de liant

    c. Le dépôt de métal

    d. La projection de métal sous forme liquide

  • XJET (Israël) – Technologie NanoParticle Jetting
  • Vader Systems (USA) – Technologie MagnetoJet

    e. Les systèmes hybrides

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    2 Commentaires

  1. Bonjour, je me permet quelques petites corrections:

    Chapitre 2:
    – Prodways ne fabrique pas d’imprimante « metal »
    – à ma connaissance personne n’imprime de laiton

    Chapitre 5 a:
    « Le titane pur (Ti64 ou TiAl4V) »
    Le titane pur est du « Ti », le TiAL4v et autres sont des alliage (AL aluminium et V vanadium)

    Chapitre 6D:
    la voxeljet n’est pas une imprimante métal.
    A ma connaissance l’imprimante métal commercialisée ayant la plus grosse capacité est la Concept laser XL

    La Concept laser XL, même si elle en a la capacité n’imprimera jamais de métaux précieux pour des raisons de volume de poudre mobilisé. En acier on charge une tonne de poudre, en or le même volume représente 2 tonnes… vous comprendrez facilement la problématique du prix…

    Les imprimantes dédiées au métal ont en général une capacité de chargement de « quelques » kilos de poudre d’or, ce qui fait déjà beaucoup.
    Il s’agit de la Concept laser Mlab, de la sisma mysint 100 et d’autres de chez EOS, Realizer etc

    Salutations

  2. Hey Guys, love the article could you link to the source of the images here: 3dhubs.com/what-is-3d-printing

    Thanks
    George [3D Hubs]

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