Chez Velo3D, nous nous efforçons constamment de rendre la fabrication additive métallique (FA) accessible aux ingénieurs et aux fabricants de tous les secteurs. Souvent, lorsqu'ils parlent de FA, les experts du domaine peuvent s'enliser dans des cas d'utilisation spécifiques, ce qui peut être difficile à comprendre pour ceux qui débutent dans le domaine ou ceux qui peuvent apprendre. à propos de la fabrication additive métallique industrielle pour la première fois.
Dans ce guide d'introduction, nous examinerons la FA métallique d'un niveau élevé, en particulier l'impression par fusion sur lit de poudre laser, et nous explorerons comment les conceptions sont créées et traduites pour la fabrication, les différentes itérations et applications du processus de FA, et d'autres post-processus impliqués pour créer une pièce finale, utilisable et prête pour la production, comme vous le feriez pour tout autre processus de fabrication.
Qu'est-ce que le Metal AM et à quoi sert-il ?
Pour les besoins de cet article, nous utiliserons Fabrication Additive ainsi que Impression 3D se référer au même processus général. Cependant, l'impression 3D a tendance à être un terme utilisé plus largement et peut englober les imprimantes 3D domestiques utilisées par les amateurs, tandis que la fabrication additive a tendance à être davantage utilisée pour décrire des applications industrielles, technologiques ou professionnelles.
Les technologies de base qui sous-tendent la FA remontent au début et au milieu des années 1980, lorsque les premiers brevets ont été délivrés. Pendant des décennies, l'impression 3D a été principalement utilisée à des fins de prototypage. Le prototypage rapide (RP) via l'impression 3D pourrait donner vie à un concept de conception beaucoup plus rapidement que d'autres processus d'usinage de précision répondant à la forme et à l'ajustement de la conception, sinon toujours à la fonction.
Au fur et à mesure que la technologie devenait plus sophistiquée, elle a dépassé le domaine des amateurs de bureau et est maintenant utilisée comme processus de fabrication de production pour de multiples industries innovantes, des secteurs de l'énergie et de la défense à l'aviation, l'aéronautique, l'espace, l'exploitation minière et bien d'autres. La FA métallique peut désormais être utilisée pour produire des produits de haute qualité de qualité industrielle pièces de précision, et il est apprécié pour sa capacité à améliorer les performances, à réduire le poids des composants, à consolider de nombreuses pièces disparates en structures uniques et à accélérer la mise sur le marché. Il n'est pas surprenant que certaines des entreprises les plus avant-gardistes, telles que Alliage chromique, Recherche LAMet Honeywell, pour n'en citer que quelques-uns, investissent massivement dans la FA métallique pour stimuler leur innovation.
Un examen plus approfondi du processus de fabrication additive métallique
Le processus de fabrication additive métallique est en réalité de multiples processus qui aboutissent à une pièce finie. Pour référence, la solution AM de bout en bout de Velo3D utilise Laser Powder-Bed Fusion (LPBF), que nous expliquerons plus en détail plus tard. Pour l'instant, explorons le fonctionnement du processus global.
Tout d'abord, un ordinateur puissant traduit la conception tridimensionnelle originale en instructions d'impression bidimensionnelles. Ensuite, un imprimante métal exécute ces instructions, lançant la pièce couche par couche sur des couches individuelles de métal en poudre. Une fois la couche finale imprimée, la construction tridimensionnelle peut être retirée de l'imprimante, dépoudrée et post-traitée. Le post-traitement peut inclure divers traitements thermiques, usinage ou polissage de surface en fonction de l'intention du concepteur et de l'environnement dans lequel la conception sera utilisée. Afin d'expliquer le fonctionnement du processus, décomposons chacune de ces étapes et voyons comment elles fonctionnent pour les processus de fabrication additive métallique conventionnels et avancés.
Tout commence par la conception
Il y a plusieurs considérations que les ingénieurs doivent prendre en compte lors de la préparation d'une conception pour la fabrication. Souvent, la conception parfaite, avec des performances simulées hautement optimisées, est impossible à produire réellement. Les ingénieurs doivent souvent s'éloigner de la conception la plus optimisée pour concrétiser leur concept, et les mêmes sacrifices sont faits lors de la mise à jour ou de la reconception d'une pièce héritée existante. La conception pour la fabrication (DfM) est la discipline qui évalue une pièce et convertit cette idée initiale en une pièce pouvant être produite avec les technologies de fabrication existantes. En règle générale, les ingénieurs auront des paramètres approximatifs pour une pièce avant de prendre des décisions clés qui peuvent affecter la fabrication.
Ces considérations comprennent:
- Quelle est l'ampleur de l'opération ? Autrement dit, combien de pièces finalisées devront être usinées ? Cette considération peut aider à déterminer quelle méthode de production de pièces est la plus logique.
- Quelle est la candidature ? Si une pièce doit être utilisée dans un environnement à haute pression ou dans une industrie avec des normes élevées et des réglementations strictes, cette considération peut aider à déterminer quels matériaux doivent être utilisés dans le processus de fabrication.
- Quelles sont les contraintes de budget et de temps ? De même, à l'échelle, le délai d'exécution requis pour une pièce - qui comprend plusieurs itérations de la pièce et l'approvisionnement en main-d'œuvre qualifiée pour produire ces itérations - et le budget alloué à la création de la pièce peuvent influencer la méthode de production.
Le processus DfM peut être un calcul compliqué, mais lorsque toutes les décisions sont prises, elles ont tendance à se terminer de la même manière : les ingénieurs reçoivent le feu vert pour produire une conception finale dans les limites de ces considérations clés. Cette conception, généralement réalisée à l'aide de fichiers de conception assistée par ordinateur (CAO), est généralement un compromis entre le concept de conception idéalisé initial et les limites du processus de production et des matériaux.
En revanche, la conception pour la fabrication additive (DfAM) a tendance à se concentrer davantage sur la fabricabilité des pièces spécifiques au processus additif. Au sein de DfAM, l'accent est davantage mis sur la consolidation des pièces et la conservation des ressources matérielles pendant le processus d'impression. Lors de la conception pour la fabrication additive métallique, un ingénieur examinera chaque caractéristique spécifique d'une pièce et décomposera ces caractéristiques en défis distincts en fonction de l'orientation de la pièce et de la caractéristique. Par exemple, les considérations relatives aux angles faibles (surplombs), aux canaux et aux ouvertures, aux parois minces et aux rapports d'aspect élevés peuvent présenter des défis lors de la traduction des conceptions DfAM en pièces imprimées finales.
En raison de ces innombrables défis, le processus DfAM peut entraîner des pièces qui s'écartent considérablement de l'intention de conception initiale de l'ingénieur. En concevant une pièce strictement pour la fabrication additive conventionnelle, les pièces peuvent perdre des fonctionnalités et/ou des performances critiques. Une partie de la raison pour laquelle Velo3D excelle dans la FA est que nous avons unifié les processus de conception et d'impression en une solution complète de bout en bout, intégrant à la fois le matériel et les logiciels, et en gardant intactes les caractéristiques de conception critiques tout en préservant l'intention de conception d'origine de la pièce.
Grâce à l'intégration de logiciels de conception et d'imprimantes dans un système de fabrication additive métallique avancé, les ingénieurs sont en mesure d'obtenir des géométries de conception optimales avec une plus grande complexité sans compromis, de consolider les pièces nécessaires sans sacrifier l'intention de conception et d'obtenir l'assurance dont ils ont besoin que la pièce qu'ils ont conçue se traduira une fois imprimé.
Comment fonctionne le processus d'impression AM sur métal
Une fois la phase de conception terminée, le processus d'impression par fabrication additive peut prendre plusieurs formes. Chaque processus d'impression est adapté à différentes applications, certaines des formes les plus courantes d'impression AM sont :
- Appareil de stéréolithographie (SLA)
- Frittage laser sélectif (SLS)
- Modèle de dépôt fondu (FDM)
- Traitement numérique de la lumière (DLP)
- Fabrication d'objets laminés (LOM)
- Fusion sélective au laser (SLM)
- Fusion laser sur lit de poudre (LPBF)
- Frittage laser direct des métaux (DMLS)
- Fusion par faisceau d'électrons (EBM)
- Jet de liant (BJ)
- Jet de matière (MJ) Polyjet et technologie de moulage à la cire
- Dépôt de plasma rapide (RPD)
Chez Velo3D, nous utilisons une version modifiée de Laser Powder Bed Fusion (LPBF) qui intègre des rebondissements propriétaires qui changent la donne. Mais à travers l'objectif de LPBF, nous pouvons explorer le fonctionnement pratique de l'impression AM sur métal.
Dans LPBF, l'imprimante métallique contient une chambre de construction qui est maintenue entièrement inerte et est souvent pompée avec du gaz argon pour éliminer les traces d'oxygène ou d'humidité dans l'atmosphère de la chambre. La moindre présence d'oxygène peut provoquer des impuretés et une fragilisation de la pièce finale.
Une fois les conditions définies dans la chambre, des couches de poudre métallique sont déposées dans ce qu'on appelle le lit de poudre. Des lasers hyper-spécialisés sont ensuite utilisés pour chauffer le lit de poudre et faire fondre la poussière métallique en un liquide ayant la forme souhaitée de l'objet. Couche par couche, le lit de poudre est tiré sur l'objet à l'aide d'une lame de recouvrement ; le laser fait fondre la poudre dans la forme souhaitée et la lie à la couche en dessous jusqu'à ce qu'il y ait un objet fini.
Dans de nombreuses applications LPBF, le processus d'impression comprend également des supports ou des échafaudages intégrés à la construction. Lors de l'impression avec du métal, le laser fait fondre chaque couche qui ensuite refroidit et se solidifie rapidement. Au fur et à mesure que le métal refroidit, il se contracte. Couche après couche de fusion, de solidification et de contraction, la contrainte s'accumule dans le métal. Si elle n'est pas correctement prise en compte, cette contrainte peut déformer le métal ou même fissurer la pièce. Pour compenser cette contrainte, les ingénieurs utilisent des supports pour maintenir les pièces sur la plaque de construction.
Pour les imprimantes 3D métalliques conventionnelles qui n'ont pas les recettes d'impression sophistiquées d'un Velo3D Sapphire imprimante, les supports sont très courants. Dans ce que certains pourraient appeler "l'approche des agrafeuses à un million de dollars", les ingénieurs utilisant des imprimantes industrielles coûteuses finissent par produire autant de matériel de support que la pièce réelle. Ce matériau a tendance à être les mêmes superalliages coûteux et difficiles à usiner que ceux requis pour les conceptions hautes performances. Souvent, plus de la moitié de la masse imprimée totale finit par être un matériau de support gaspillé qui, lors du post-traitement, devra être retiré.
En revanche, Velo3D a été le pionnier d'un AssistanceGratuitTM processus d'impression qui permet aux ingénieurs d'obtenir des géométries complexes et des angles faibles sans avoir besoin de structures de support pour maintenir l'objet en place. Notre bibliothèque standardisée de recettes de processus hautement sophistiquées permet aux ingénieurs d'imprimer leurs conceptions sans dépendre de supports, et a contribué à débloquer d'autres innovations pour des applications, telles que microturbines, échangeurs de chaleur, turbopompes, et plus encore.
Post-traitement pour la FA métallique
À la fin du processus d'impression, les équipes se retrouvent avec ce qui équivaut essentiellement à un brouillon de l'objet. Les phases finales de l'impression 3D métal sont alors enclenchées. Après l'impression, la pièce et la plaque de construction sont enfouies sous une poudre de métal non fondue. Un opérateur aspirera autant de poudre que possible pour la réutiliser sur de futures pièces. Après cette étape, un opérateur peut retirer la plaque de construction et la pièce métallique (toujours soudée à la plaque). D'autres étapes d'élimination de la poudre peuvent être nécessaires pour nettoyer complètement la pièce.
Selon l'application et le métal utilisé, un opérateur peut avoir besoin de traiter thermiquement la pièce avant de la retirer de la plaque de fabrication. En raison du niveau élevé de contrainte qui peut s'accumuler lors d'une impression, les pièces qui ne sont pas correctement soulagées peuvent se déformer ou même se fissurer lorsqu'elles sont coupées de la plaque. D'autres étapes de traitement thermique peuvent affecter les propriétés du matériau. Des processus tels que HIP (Hot Isostatic Press) et Solution and Age peuvent être nécessaires en fonction des spécifications de la pièce.
Pour de nombreuses pièces métalliques de fabrication additive, un usinage supplémentaire peut être utilisé pour supprimer les supports et atteindre des tolérances cibles difficiles à atteindre sur les pièces imprimées. Une fois les supports retirés, la pièce peut être fraisée, percée et polie à l'intérieur et à l'extérieur pour atteindre les spécifications requises ou améliorer les propriétés, notamment la qualité de surface, la précision géométrique et d'autres propriétés mécaniques. Souvent, les surfaces internes sont traitées à l'aide d'un abrasif flow usinage pour améliorer la finition de surface et éliminer les impuretés restantes de la construction et des structures de support persistantes.
Enfin, lorsque la pièce est terminée, elle doit être soigneusement évaluée et testée pour garantir un fonctionnement optimal et qu'elle répond aux exigences réglementaires strictes définies pour des industries spécifiques. Velo3D travaille pour assurer la qualité en intégrer ces mesures d'analyse dans le processus d'impression lui-même à l'aide de capteurs et de logiciels avancés de métrologie et de validation des pièces.
Il y a beaucoup à apprendre sur la fabrication additive. Que vous ne fassiez qu'effleurer la surface de l'impression 3D ou que vous souhaitiez explorer la FA métallique en tant que solution de fabrication de pièces pour des applications industrielles, un univers d'innovation vous attend tout au long de votre voyage. Velo3D est un pionnier dans le domaine de la FA métallique, permettant aux innovateurs de donner vie à leurs conceptions les plus complexes, sans compromis.
Si vous souhaitez en savoir plus sur le processus de fabrication additive métallique Velo3D, contactez l'un de nos ingénieurs experts dès aujourd'hui.
