Qu’est-ce que l’impression 3D à base de poudre?

De plus en plus, les imprimantes 3D ont commencé à entrer dans le domaine de la conscience dominante. En plus d’être incroyablement polyvalente, la technologie est devenue suffisamment accessible même pour un usage récréatif. Lorsque les gens pensent aux imprimantes 3D, ils évoquent souvent l’image de filaments en plastique fondus et extrudés.

Cependant, l’impression à base de filaments n’est pas la seule technologie d’impression 3D. L’impression 3D à base de poudre est antérieure aux filaments en plastique de quelques décennies et continue d’être une technique pertinente pour de nombreux professionnels et industries. Qu’est-ce que l’impression à base de poudre et comment fonctionne-t-elle exactement? Quels sont les différents types d’impression 3D à base de poudre?

Qu’est-ce que l’impression 3D à base de poudre?

L’impression 3D à base de poudre est une méthode de fabrication additive qui utilise des matières premières sous forme de poudre. Cela contraste avec les matériaux de filament utilisés dans d’autres techniques d’impression 3D plus courantes. Le matériau en poudre, dans ce cas, peut être en métal ou en plastique.

Le principe de base de l’impression 3D à base de poudre est de favoriser la «liaison» des particules de poudre individuelles via l’émission contrôlée d’énergie. Cette source d’énergie peut être soit un laser, un faisceau étroit de lumière UV ou un faisceau d’électrons. La méthode spécifique utilisée pour l’impression 3D, les paramètres matériels et la taille des particules de poudre jouent tous un rôle dans la détermination des caractéristiques de l’impression finie.

Dans tous les autres aspects, l’impression 3D à base de poudre est similaire à d’autres techniques d’impression 3D. Le processus commence également par un modèle 3D de la conception souhaitée qui doit ensuite être traité par un logiciel de découpe. Ce logiciel génère des tranches très fines du modèle qui correspondront aux couches que l’imprimante 3D va construire une à une.

Avec chaque couche successive de matière première en poudre que l’imprimante 3D lie ensemble, l’imprimante introduit une nouvelle couche de poudre brute non traitée. Ce processus se répète jusqu’à ce que le modèle entier ait été généré. Dans certains cas, un traitement post-impression sera nécessaire pour obtenir les propriétés physiques et chimiques optimales du matériau.

Pour mieux comprendre la technologie et le principe de fonctionnement de l’impression 3D à base de poudre, nous allons examiner ses deux principales catégories: l’impression à base de métal et à base de plastique. Même pour chaque catégorie, plusieurs méthodes sont disponibles.

Impression sur poudre à base de métal

Dans l’impression sur poudre à base de métal, la poudre de métal est fusionnée grâce à l’introduction d’un faisceau à haute énergie ou d’un agent qui favorise la liaison. Presque tous les métaux d’importance industrielle peuvent être traités via l’impression 3D à base de poudre, notamment l’acier inoxydable, l’aluminium, le titane, le cuivre, le cobalt, l’alliage de nickel et le chrome.

Cependant, les besoins énergétiques et les techniques appropriées peuvent varier d’un métal à l’autre. Pour cette raison, il est rare de voir une imprimante 3D à base de métal qui fonctionne bien avec une telle gamme étendue de types de métaux en poudre.

Il existe quatre technologies majeures utilisées pour l’impression 3D de poudre de métal, et nous les aborderons en séquence du plus simple au plus complexe.

Fusion sélective au laser (SLM)

L’une des méthodes les plus élémentaires de l’impression 3D de métaux, SLM utilise un faisceau laser concentré pour faire fondre la poudre de métal brut. Il en résulte la fusion complète du métal et la fusion des particules de poudre voisines pour obtenir des géométries complexes.

L’intensité du faisceau laser et la vitesse à laquelle il traverse la couche de poudre métallique peuvent être ajustées en fonction du type de métal traité et de modifier les propriétés de l’impression finie. Dans tous les cas, le SLM est un processus très énergivore car il nécessite la fusion complète du métal.

Le résultat est que SLM produit des impressions 3D métalliques avec des propriétés mécaniques supérieures. Lorsque les particules métalliques fondent, elles fusionnent au niveau moléculaire. Ce processus comble les lacunes, créant un produit plus dense et plus résistant.

Frittage laser direct des métaux (DMLS)

DMLS est très similaire à SLM au point que les deux termes semblent être utilisés de manière interchangeable. Ils utilisent tous deux une matière première en poudre métallique et une source d’énergie laser pour atteindre la fusion. Cependant, il existe une différence subtile mais essentielle: alors que l’objectif de SLM est de fondre complètement et de fondre la poudre métallique, DMLS s’efforce uniquement de chauffer les particules métalliques au point où leurs surfaces se soudent. Il s’agit d’un processus connu sous le nom de frittage et qui est un moyen plus efficace de fusionner la poudre métallique.

La principale conséquence du choix du frittage plutôt que de la fusion est qu’il crée un produit avec beaucoup de porosité. Étant donné que le métal ne fond pas complètement et ne remplit pas les petites lacunes inhérentes à une matière première en poudre, le produit fini a tendance à avoir beaucoup de petites cavités internes. Cela signifie que les produits métalliques frittés sont plus légers et moins résistants que ceux fabriqués via SLM.

Fusion par faisceau d’électrons (EBM)

Dans le procédé EBM, un faisceau d’électrons fournit l’énergie nécessaire pour faire fondre la poudre métallique. Il s’agit également d’une procédure très énergivore. La caractéristique d’un faisceau d’électrons qui le rend unique est qu’un faisceau d’électrons peut être dispersé en plusieurs points sur une seule couche de poudre métallique. Cela fait d’EBM un processus d’impression 3D plus rapide que SLM et DMLS.

Les imprimantes EBM 3D sont beaucoup moins courantes que les imprimantes SLM ou DMLS, principalement en raison du coût élevé de la technologie. Les options commerciales pour les imprimantes 3D EBM sont également assez limitées. Les imprimantes EBM ont également du mal à reproduire le niveau de résolution d’autres imprimantes 3D en raison de la taille d’un faisceau d’électrons.

Fusion multi-jets (MJF)

Dans le MJF, un liant liquide est injecté à des zones sélectionnées sur le lit de poudre métallique. Cela se fait par une série de buses ultra-fines, dont le nombre influence directement la vitesse du processus. Cet agent de liaison s’infiltre dans les espaces interstitiels entre les particules de poudre. Sa fonction principale est de favoriser l’absorption de l’énergie infrarouge.

Après le processus MJF, l’impression métallique est toujours considérée comme étant dans un état «vert». Celui-ci devra ensuite être traité à l’intérieur d’une chambre UV pour terminer le processus de durcissement et de frittage, permettant aux liaisons de développer leur résistance.

De toutes les imprimantes 3D à poudre métallique, MJF est la technologie la plus jeune et certainement la plus rare. L’imprimante Metal Jet de HP est l’un des rares exemples populaires. Avec sa polyvalence et son niveau de précision, il reste encore beaucoup à explorer en ce qui concerne le potentiel de la technologie MJF.

Impression en poudre à base de plastique

Comparée à d’autres méthodes d’impression 3D pour les plastiques, une méthode à base de poudre est facilement l’une des plus polyvalentes. Il existe une grande variété de matériaux plastiques qui peuvent être transformés en poudre, y compris les silicates ou le polystyrène, qui ne sont généralement pas disponibles sous forme de filaments. Le plastique ne nécessitant pas beaucoup d’énergie pour fondre, la technologie d’impression 3D pour la poudre plastique n’a pas besoin d’autant de diversité.

Frittage laser sélectif (SLS)

Comme la méthode DMLS pour les métaux, la technique SLS utilise un laser CO2 étroit comme mécanisme de distribution d’énergie pour faire fondre le plastique. En faisant varier l’intensité et la vitesse de déplacement du laser, une seule machine SLS peut être utilisée sur une variété de matières plastiques différentes.

En impression SLS, le laser CO2 frappe la couche de poudre à des points prédéterminés selon le modèle généré par le logiciel slicer. Une fois la couche terminée, un rouleau passe par le haut de la cuve pour introduire un lot frais de poudre plastique brute.

Comparé à d’autres techniques d’impression 3D, SLS a l’avantage unique de fournir un support inhérent aux couches finies. Lorsqu’une couche est imprimée, toute la poudre plastique non traitée résiduelle reste dans la plate-forme de construction et sert à «soutenir» les caractéristiques du projet imprimé. Cela signifie que les modèles n’ont pas à être conçus avec des structures de support, même s’ils ont des fonctionnalités en surplomb.

Comme son nom l’indique, le but du SLS n’est que le frittage, pas la fusion complète du plastique. Cela accélère considérablement le processus mais introduit beaucoup de porosité sur l’impression finale. L’avantage de cette caractéristique est que le processus produit des pièces imprimées légères. Cependant, ils ne sont pas les plus durables. Ils ont également tendance à sortir avec une finition rugueuse, ce qui rend le post-traitement nécessaire si vous souhaitez obtenir une surface lisse.

Un autre inconvénient majeur du SLS est qu’il est beaucoup plus cher que les techniques d’impression 3D qui utilisent du filament ou de la résine en plastique. Pour cette raison, les imprimantes SLS ne se trouvent généralement que dans les entreprises qui offrent des services d’impression 3D professionnels.

Avantages et inconvénients de l’impression 3D à base de poudre

Bien que les techniques d’impression 3D à base de poudre existent depuis un certain temps, elles ne sont pas tout à fait au même niveau que les imprimantes 3D qui utilisent des filaments en plastique ou de la résine. À l’heure actuelle, même les imprimantes SLS pour plastique ne sont pas disponibles au niveau des consommateurs. La technologie reste cependant pertinente sur le plan industriel, ce qui témoigne de ses atouts dans la fabrication additive.

AVANTAGES:

Propriétés mécaniques isotropes

Par rapport à une méthode de fabrication additive qui utilise une matière première filamentaire, les produits fabriqués par impression 3D à base de poudre sont plus isotropes dans leurs propriétés. Cela signifie que ses caractéristiques mécaniques sont cohérentes dans toutes les directions. Si vous avez besoin de produire une pièce fonctionnelle destinée à un usage régulier, les propriétés isotropes d’une pièce imprimée en 3D vous permettent de mieux prédire ses performances.

Géométries complexes

L’impression 3D est une technologie de fabrication intrinsèquement polyvalente qui a été créée pour reproduire des conceptions trop complexes pour des méthodes plus traditionnelles. Ceci est particulièrement précieux pour les métaux. Bien que des méthodes comme la coulée par extrusion et la coulée centrifuge aient été bien développées et se sont avérées produire des pièces métalliques avec des propriétés mécaniques supérieures, elles ont intrinsèquement des capacités de conception limitées.

Économique pour les petits volumes

Un autre avantage de l’impression 3D est qu’elle ne repose pas sur une économie d’échelle. Sur une base unitaire, il en coûte autant pour imprimer en 3D un seul modèle que pour imprimer en 3D des milliers d’itérations du même modèle. Cela contraste avec les méthodes de fabrication qui reposent sur la production d’une fonte solide, ce qui est souvent un investissement énorme qui ne peut être justifié qu’avec un grand volume de commandes.

LES INCONVÉNIENTS:

Plus cher que les autres méthodes d’impression 3D

À l’heure actuelle, deux technologies d’impression 3D sont disponibles en modèles à l’échelle du bureau: la modélisation par dépôt fondu (FDM) et la stéréolithographie (SLA). Ces deux technologies produisent des impressions 3D en plastique à base de filament ou de résine. Avec la simplicité inhérente à la technologie derrière ces méthodes, ils ont réussi à atteindre un niveau d’accessibilité que même les amateurs peuvent se permettre de les avoir dans leurs ateliers.

Les imprimantes 3D à base de poudre n’ont pas encore atteint ce stade. Que ce soit pour le métal ou pour la poudre, les imprimantes 3D en poudre ne sont souvent utilisées que comme outil de prototypage pour une organisation professionnelle ou dans le cadre d’un processus de fabrication à l’échelle industrielle. Ils ne sont pas particulièrement difficiles à utiliser mais sont plusieurs fois plus chers que les autres machines d’impression 3D.

Dernières pensées

L’impression 3D par fusion ou frittage d’une matière première en poudre est l’une des technologies les plus innovantes, même dans une telle catégorie de niche. Les imprimantes à base de poudre sont incroyablement polyvalentes dans les types de matériaux qu’elles peuvent manipuler, couvrant une large gamme de plastiques et de métaux. L’impression à partir de poudre est également beaucoup plus prévisible en termes de propriétés mécaniques du produit fini.

Bien que les imprimantes 3D à base de poudre ne soient pas encore aussi courantes, il ne fait aucun doute qu’elles ont une valeur commerciale et industrielle importante. Qui sait? Peut-être que nous commencerons à voir des imprimantes 3D de bureau assez abordables qui utilisent une matière première en poudre dans quelques années.