Fabrication additive (AM)
La fabrication est un procédé également appelé imprimerie 3D ou fabrication digitale directe. La fabrication additive a été développée en tant que technique de prototypage mais s’est rapidement transformée en un procédé de fabrication industrielle principalement pour les domaines de l’aérospatiale et du biomédical. Cette technologie permet la production de pièces métalliques tridimensionnelles directement à partir d’un logiciel de conception assisté par ordinateur (CAD). La fabrication additive utilise une source d’énergie pour fondre la poudre de métal, couche par couche, dans le but d’obtenir une pièce selon le design prévu dans le fichier CAD. La source d’énergie utilisée est généralement un faisceau d’électrons ou un faisceau laser. La fabrication additive permet de déterminer rapidement la nature de l’objet 3D et d’en tester le design. Cette technologie peut être divisée en 3 catégories : le prototypage, l’outillage rapide et la fabrication rapide, tous trois utilisant le même procédé.
La fabrication additive est particulièrement utile pour les matériaux coûteux et les pièces complexes puisqu’elle permet une liberté totale au niveau de la conception. Par exemple, la fabrication additive rend possible la conception et la production d’une pièce unique complexe alors que les techniques de machinage requièrent l’assemblage de pièces multiples. Par ailleurs, la fabrication additive contribue à réduire les coûts et la perte de matériel associés au machinage conventionnel. Cette technique permet également d’élaborer des conceptions plus efficaces permettant de réduire le poids d’ensemble des pièces.
Compte tenu des bénéfices précédemment mentionnés de même que de la progression constante au niveau de la performance et la productivité des équipements, la fabrication additive se développe rapidement en Europe en Amérique du Nord et en Asie.
Les poudres métalliques sphériques sont tout particulièrement en demande pour la fabrication additive en raison de leur capacité supérieure d’écoulement qui permet une meilleure densité et une plus grande uniformité d’empilement. Un haut niveau de pureté des poudres métalliques est également critique afin d’atteindre de bonne propriétés mécaniques et de permettre à la poudre d’être recyclée plusieurs fois.
Plus d’informations peuvent être trouvées en suivant les liens suivants :
https://www.youtube.com/watch?v=BxxIVLnAbLw
http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
http://wohlersassociates.com/manufacturers-and-developers.html
Les principales applications des pièces de titane fabriquées par la technologie de fabrication additive se retrouvent sur des marchés où l’on retrouve des produits complexes de grande valeur tels que :
- Appareils médicaux et dentaires
- Aérospatiale
- Biens de consommation
- Design/Architecture
- Outillage
- Robotique
- Automobile
- Défense
- Sports motorisés
- Industrie de la mode
Principaux avantage de la fabrication additive :
- Production de surfaces poreuses similaires aux surfaces osseuses impossibles à reproduire via les procédés de traitement thermiques traditionnels.
- Toutes les formes sont possibles, aucune restriction.
- Peut être appliquée à chaque phase de la vie du produit : depuis le pré-développement jusqu’à la production de pièces de rechange.
- Excellent procédé pour la fabrication d’objets complexes
- Rapide : de 3 à 72 heures pour la fabrication d’un prototype
- Coûts inférieurs à ceux du machinage
- La fabrication par additifs permet l’utilisation de matériaux difficiles à machiner tel que l’aluminure de titane
- Permet la production de pièces uniques taillées sur mesure selon les besoins spécifiques des usagers.
Moulage par injection de métal (MIM) ou moulage par injection de poudres (PIM)
Cette technologie, qui existe depuis 1973, est très populaire et évolue encore rapidement. Elle est principalement utilisée pour la production de petites pièces d’une masse inférieure à 150g.
Les cinq étapes de base du procédé MIM :
- Outillage : production d’une cavité de moulage
- Mélange : production du mélange de matières premières (petites particules) par le mélange de poudres de métal de taille micrométrique avec d’autres matériaux de consolidation thermoplastiques.
- Moulage : la production des pièces qui, à cette étape, sont très fragiles puisqu’elles contiennent encore 40% de matériel polymérique de consolidation par volume.
- Décapage : Étape finale consistant à extraire du matériel de consolidation de la pièce à l’aide de solvants.
- Frittage : Étape finale. Retrait du matériel de consolidation résiduel par le chauffage des pièces qui se rétrécissent uniformément et qui atteignent la pleine densité.
Le procédé MIM atteint des performances mécaniques égales ou supérieures à celles des pièces machinées. Il peut être utilisé pour produire des pièces aux formes complexes pouvant difficilement être machinées. C’est aussi le procédé idéal pour les pièces contenant des trous multiples et multidirectionnels puisque les pièces produites possèdent de bonne propriétés quant à la résistance, la dureté et l’élongation.
Principaux avantages du procédé MIM :
- Réduction du temps de production
- Répétitivité
- Diminution du besoin de recourir à des opérations secondaires sur la pièce
- Réduction des coûts d’ensemble par la création de la pièce sans assemblage
Les poudres sphériques métalliques conviennent bien au procédé MIM en raison de leur grande densité de compaction. En effet, la sphéricité signifie une plus grande capacité de charge de poudre dans la matrice polymérique de consolidation, une réduction des coûts du matériel de consolidation et moins de rétrécissement pendant la phase finale du frittage. Les caractéristiques de fluidité supérieure de la poudre sphérique favorisent également une meilleure dispersion de la poudre dans les résines de plastique.
Le moulage par injection de poudre métallique est un procédé largement utilisé dans les domaines des pièces automobiles, du biomédical et de la joaillerie. Toutefois, les pièces de titane pur et d’alliages de titane sont principalement utilisées pour le domaine biomédical et les pièces d’équipement militaire.
Presse isostatique à chaud (HIP)
Le procédé de presse isostatique à chaud est employé pour la production de pièces atteignant la pleine densité du matériau et offrant de bonnes propriétés mécaniques, et ce, même avec les matériaux les plus raffinés. Ce procédé combine de hautes températures (jusqu’à 2200 ºC) et une forte pression de gaz inertes (de 100 à 3100 bar) dans un récipient sous pression. La chaleur et la pression, appliquées simultanément, éliminent les vides internes et la porosité résiduelle améliorant ainsi la résistance à la fatigue des pièces fabriquées et produisant une structure au grain très fin.
Principaux domaines d’application :
- Aérospatiale
- Médical et biomédical
- Moulages de précision
- Matériaux composites
- Soudage, jointage et amalgame
Pièces couramment fabriquées par le procédé HIP
- Pièces de haute qualité en titane
- Moulages en super alliages
- Pièces de moteurs à réaction
- Outils en matériaux composites
- Arbres de transmission de générateurs
- Prothèses osseuses de remplacement
- Implants médicaux
Avantages :
- Grande flexibilité dans le design, la composition chimique, la taille des particules et la forme de la pièce
- Améliore les propriétés de matériaux telles que la résistance au stress et aux cassures, réduit la corrosion et prévient la formation de bulles d’air
- Permet la fabrication de pièces aux formes irrégulières et à la géométrie complexe
- Uniformité des propriétés dans toutes les directions (isotrope)
- Réduction des opérations coûteuses telles que le machinage et le soudage
- Améliore la sécurité du procédé par l’élimination des soudures aux endroits critiques
- Possibilité de créer des structures étagées (solide/poudre) avec une liaison parfaite entre les couches
Revêtements
Développé à l’échelle industrielle autour de 1980, les techniques de revêtements faits de poudres métalliques sont généralement classées en 2 catégories :
- Revêtement à froid
- Revêtement à chaud
Ce procédé utilise un flux de gaz pour propulser des particules qui vont frapper la pièce à recouvrir. Les particules s’aplatissent sous la force de l’impact et se lient les unes aux autres de même qu’à la pièce.
Vaporisation de revêtement à froid:
Il s’agit d’un procédé de revêtement qui prend place avec de la poudre à l’état solide (non-fondu). Un jet de gaz à haute vitesse est utilisé pour accélérer les particules de poudre dirigées en direction de la pièce où elles se déforment sous la force de l’impact. Ce procédé opère à des températures beaucoup plus basses que le point de fusion des matériaux utilisés pour le revêtement. Le revêtement à froid est particulièrement utile pour des applications où les matériaux sont sensibles à la température du procédé.
Ce procédé est principalement utilisé pour des applications dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’énergie et de la défense. Plus particulièrement dans les fonctions suivantes :
- réduction de la corrosion des matériaux sensibles
- resurfaçage et scellants
- fabrication de cibles de pulvérisation
- fabrication de lignes conductrices sur des verres chauffants
- revêtements conducteurs de chaleur et d’électricité
- matériaux biomédicaux et biocompatibles pour implants orthopédiques, prothèses et implants dentaires.
Avantages :
- La basse température offre une plus grande sécurité autour du procédé
- Obtention d’un dépôt avec gradation de concentration
- Convient à plusieurs substrats
- Haute densité, revêtement à faible porosité
- Distorsion minimale de la pièce même à des épaisseurs très minces
- Préparation minime de la surface
- Plus sûr pour l’environnement
- Alliages métastables peuvent être utilisés
Procédé de revêtement à chaud :
Dans ce procédé, les matériaux de revêtement sont fondus ou chauffés puis ensuite projetés sur une surface. Ceci est principalement utilisé pour les revêtements épais (plus de 50 micromètres). Les procédés de revêtement à chaud sont principalement classés en 4 catégories en fonction de la source d’énergie utilisée :
- Revêtement par flamme
- Revêtement par arc électrique avec fils
- Revêtement par plasma
- Revêtement avec un jet oxygène-essence à haute vitesse
Applications :
- Turbines à gaz
- Industrie électronique
- Industrie aéronautique
- Biomédical
- Fibres de carbone composites
- Électronique
- Énergie
Avantages :
- Versatilité, s’applique à presque tous les métaux également aux céramiques et plastiques
- Moyen économique de réparation des composantes et des pièces mal machinées
- Rapide, autour de 3 à 60 lbs de dépôt par heure dépendamment du matériel et de la technique de revêtement
- Efficace pour les pièces qui requièrent de la porosité
- Technologie qui offre une bonne résistance à l’usure et la chaleur
- Bon contrôle des tolérances et des dimensions
- Résistance à la corrosion et l’oxydation
- Bonne propriétés électriques (résistance et conductivité)