Innover

par la technologie

Tout savoir sur la fusion laser sur lit de poudre métallique

La fusion laser sur lit de poudre est un procédé de fabrication additive métallique qui consiste à créer une pièce couche par couche grâce à la fusion des particules de poudre via un faisceau laser. Le cadre normatif de cette technologie, également connue sous le nom de Selective Laser Melting (SLM), est en cours de construction au niveau mondial. La fusion laser sur lit de poudre rend possible la fabrication de pièces aux géométries irréalisables avec les procédés conventionnels. On parle de fabrication directe lorsqu’elle est utilisée comme moyen de fabrication de petites et moyennes séries car elle ne nécessite ni outil ni programmation.

Après plus d’une décennie d’existence commerciale, les utilisateurs de ce procédé sont les entreprises des secteurs Aéronautique et Aérospatiale, de l’Armement,  Outillage, Médical, et de l’Automobile de compétition voir de Luxe. Le secteur de la bijouterie utilise également la fusion laser sur lit de poudre car elle permet la mise en oeuvre de matériaux précieux tels que l’or ou le platine.

Processus de fabrication & chaîne numérique de la fusion laser sur lit poudre

Processus de fabrication

Le processus de fabrication via le procédé de fusion laser sur lit de poudre est réalisé dans une enceinte sous gaz neutre. Il peut être décrit en 4 étapes clés :

Une fois la poudre stockée dans le réservoir d’approvisionnement, le piston s’élève de la hauteur d’une épaisseur de couche.

Un système de mise en couche vient ensuite étaler cette épaisseur de poudre dans le bac d’impression. C’est le lit de poudre.

Si la mise en couche est valide, le laser donne naissance à la première section de l’objet par création de micro-cordons les uns à coté des autres issus de la  fusion des particules de poudres se trouvant sur sa trajectoire. Si la couche formée n’est pas uniforme, une deuxième mise en couche est effectuée pour combler les manques avant le passage du laser.

Pour finir, le bac d’impression s’abaisse légèrement (de l’épaisseur d’une couche de poudre) et l’opération recommence. De cette manière, les particules vont fusionner strate par strate jusqu’à l’obtention de la pièce finie.

fonctionnement d'une imprimante 3D de fusion laser sur lit de poudre

Chaîne numérique

Le procédé de fusion laser sur lit de poudre est semblable à une fabrication itérative de tranches 2D. À quelques détails près, la chaîne numérique de ce procédé est similaire à celle des autres procédés de fabrication.

  • Création d’un fichier CAO au format classique
  • Transformation en fichier STL
  • Positionnement des pièces dans la zone virtuelle de travail
  • Mise en place virtuelle des supports de fabrication
  • Découpage du fichier STL (passage du 3D au 2D)
  • Calcul des trajectoires laser

Devenez expert de la fabrication additive

Notre équipe de spécialistes de la fabrication additive vous accompagne pour que vous développiez votre entreprise en devenant un expert du procédé. De la conception jusqu’aux étapes de post-traitements, profitez de notre savoir-faire.

 

Découvrir notre savoir-faire

Les spécificités de la fusion laser sur lit de poudre

Les poudres

Les poudres utilisées en fusion laser sur lit de poudre doivent présenter des granulométries fines et une répartition de type gaussienne. La morphologie des particules doit être la plus sphérique possible de manière à assurer une bonne coulabilité. Actuellement, la majorité des poudres mises en oeuvre par fusion laser sont élaborées par atomisation sous gaz neutre. Cela permet d’obtenir des poudres sphériques de granulométrie comprise entre 1 et 100 microns.

L’épaisseur de couche est un paramètre influent car elle détermine la durée de la fabrication et l’ampleur de l’effet d’escalier visible sur la pièce avant finition. Cette épaisseur de couche est à choisir lors du découpage du fichier STL. Plus l’épaisseur de couche est importante, plus la fabrication est rapide.

Les supports de fabrication & la construction

Lors d’une fabrication réalisée par fusion laser sur lit de poudre, il existe des retraits de matière. Ce phénomène s’explique par le passage de la matière de l’état amorphe à l’état cristallin lors de la solidification ainsi que par la rétractation du réseau cristallin lors du refroidissement. Les supports de fabrication servent à contrecarrer les déformations causées par ces retraits en jouant le rôle de brides entre les pièces et le plateau de fabrication. Ils doivent donc être suffisamment nombreux et robustes pour compenser les contraintes mécaniques engendrées par cette différence de température.

Si ce n’est pas le cas, les contraintes générées lors de l’empilement successif des strates provoquent des déformations voir le décrochement des pièces du plateau ce qui a pour effet de faire crasher la fabrication. Outre leur rôle de bride, les supports de fabrication jouent également le rôle d’éléments porteurs durant certaines fabrications. Dès la conception, ils doivent être prévus pour être retirés avec des moyens conventionnels une fois l’impression terminée. Les supports de fabrication permettent également l’évacuation de la chaleur (conduction thermique) générée lors du passage du laser pour éviter un brûlage du matériau.

Comme tout procédé de fabrication, la fusion laser sur lit de poudre nécessite l’élaboration d’une stratégie de fabrication. Les plus utilisées sont la stratégie en bande et en damier avec un croisement entre les couches. Le choix de la stratégie de fabrication à adopter est tout aussi important que les paramètres de fabrication car ils conditionnent les propriétés finales de la pièce.

D’autre part, la température et la présence d’un gaz protecteur au sein de l’enceinte de fabrication doivent être contrôlés pour garantir le bon déroulement d’une fabrication. Le choix de ce gaz protecteur dépend quant à lui du matériau utilisé.

Les post-traitements

Une fois l’étape de construction par fusion laser sur lit de poudre terminée, la pièce n’est pas encore exploitable. Les supports de fabrication relient toujours la pièce au plateau, l’état métallurgique de l’objet, son état de surface et ses dimensions ne sont pas forcément en adéquation avec les caractéristiques attendues dans le cahier des charges. Les étapes de post-traitements sont donc nécessaires (grenaillage, détensionnement, traitements thermiques, compression isostatique à chaud, découpe des pièces du plateau …)

 

trophée SUPCHAD obtenu via fusion laser sur lit de poudre

SUPCHAD : notre consortium dédié à la fusion laser sur lit de poudre

Notre programme de R&D et de montée en compétences SUPCHAD a pour objectif de fournir aux industriels une maîtrise globale du procédé de fusion laser sur lit de poudre. De cette manière, les entreprises participantes peuvent apporter de la maturité à leur projet avant de réaliser leurs propres investissements.

Cet accompagnement comprend un programme de R&D donc, mais aussi de la formation et la mise à disposition en temps partagé d’un certain nombre de moyens :

  • Machine SLM 280 HL upgradée
  • Logiciels CAO & CFAO
  • Four de traitement thermique
  • Cabine de parachèvement
  • Loupe numérique
  • Scie à ruban, etc

Découvrir SUPCHAD

Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme La fissuration à chaud en fusion laser Comment les essais de certification se retrouvent modifiés par la vague de l’IoT et des objets connectés ? aptitude des alliages d’aluminium : l’évaporation des éléments chimiques comme facteur clé ? Lancement de SUPCHAD 2

La fabrication additive métallique : entre mythe et réalité

Les spécificités des procédés de fabrication additive métallique

La fabrication additive métallique regroupe un ensemble de procédés de fabrication qui viennent élargir le champ des possibles en matière de production de pièces métalliques complexes. De par son principe, l’impression 3D métal est différente des autres procédés traditionnels. En effet et comme son nom l’indique, la caractéristique principale de la fabrication additive métallique réside dans le fait que l’on vient ajouter de la matière uniquement là où elle est nécessaire. C’est donc l’opposition parfaite aux procédés dit soustractifs, lesquels obligent à partir d’un trop-plein de matière pour ensuite venir travailler par enlèvement. Avec ces procédés de fabrication, l’impression des pièces métalliques est effectuée à plat et de manière itérative par une imprimante 3D. Couche après couche, la machine va donc donner forme à la pièce. Cette façon d’opérer est le facteur clé qui rend possible la fabrication de pièces d’une grande complexité géométrique.

Ces nouvelles possibilités offertes en matière de fabrication de pièce très complexes séduisent beaucoup d’industriels. Si bien qu’à l’heure actuelle, bon nombre d’entre eux reconnaissent réfléchir à l’intégration de la fabrication additive métallique pour développer leur entreprise. Parmi ceux qui l’utilisent déjà, les industriels des secteurs de l’Aéronautique, de l’Aérospatiale, de la Défense ou encore le secteur médical arrivent en tête devant ceux de l’Automobile (compétition & Luxe).

Ce succès s’explique par le fait que l’impression 3D métal permet de répondre à toutes sortes de problématiques sectorielles. En effet, les premiers peuvent l’intégrer en ayant pour objectif de produire des pièces complexes, robustes et légères, donc avionnables. Les entreprises du monde médical quant à elles utilisent la fabrication additive (métallique, céramique ou polymère) pour fabriquer des prothèses personnalisées dont la structure facilitera la reconstruction des os autour d’elle.

 

L'aérospatiale utilise la fabrication additive métallique

La Défense militaire utilise la fabrication additive métallique

L'aéronautique utilise la fabrication additive métallique

L'Automobile utilise l'impression 3D métal

Le monde médical utilise la fabrication additive

Le secteur ferroviaire utilise l'impression 3D métal

Malgré tout ce qui peut être dit sur ce procédé, la fabrication additive métallique n’est pas une solution miracle mais elle offre des possibilités différentes des autres procédés tout en apportant avec elle des spécificités qu’il est important de connaître (règles de conception spécifiques …)

Les principaux procédés d’impression 3D métal

La fusion laser sur lit de poudre (SLM)

Aussi connue sous nom anglais Selective Laser Melting, la fusion laser sélective sur lit de poudre est la spécialité du Cetim-Certec. Ce procédé est utilisé à des fins de prototypage rapide et de fabrication directe de pièces complexe en petites séries. Le tout dans des délais courts et avec peu ou
pas d’outillage.

La fusion laser sélective sur lit de poudre induit des étapes de post-traitements, de reprise et de finition. Dans certains cas, l’impression des pièces obligent à prévoir des supports de fabrication dès l’étape de conception. En effet, les capacités autoportantes des poudres métalliques peuvent ne pas suffire.

Les épaisseurs de couches sont comprises entre 20µm et 100µm. 

 

En savoir plus sur la SLM 

fabrication-additive-metallique-par-fusion-laser-selective-sur-lit-de-poudre

La fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (EBM)

La fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons est un procédé similaire à la SLM. En effet, le principe est très similaire, seul la source d’énergie diffère. Avec l’Electron Beam Melting, la fusion des particules de poudres métalliques est effectuée par un faisceau d’électrons et non plus par un laser.

Bien sûr cette fusion par faisceau d’électrons induit des caractéristiques métallurgiques particulières sur les pièces fabriquées. Les spécificités de ce procédé de fabrication additive métallique sont nombreuses.

L’impression de la pièce doit par exemple être réalisée sous vide et des températures de fabrication de l’ordre de 700°C peuvent être utilisées. De telles températures ont pour effet de réduire les contraintes résiduelles au sein des pièces.

Les procédés de projection de poudre

Avec ces procédés, les particules de poudres métalliques sont directement projetées depuis la tête d’impression dans la source d’énergie (laser ou faisceau d’électrons).

Ces procédés de fabrication additive métallique sont utilisés par les industriels pour fabriquer des ébauches de pièces (souvent onéreuse) avec des sur-épaisseurs légèrement supérieures aux dimensions finales de l’objet à produire. Cette ébauche sera ensuite envoyée en usinage pour être reprise.

En opérant de la sorte, les industriels réduisent les pertes de matière sous forme de copeaux. La réparation de composants (rechargement) et l’ajout de fonctions sur des pièces sont également possibles.

La largeur du dépôt de matériau est comprise entre 0,1 et 0,4 mm.

Comment réussir l’intégration de la fabrication additive métallique ?

L’intégration d’un nouveau procédé de fabrication est toujours une étape complexe et importante pour le développement d’une entreprise. L’intégration de la fabrication additive métallique ne fait pas exception. En effet, les industriels qui songent à son intégration doivent en avoir une vision globale pour évaluer la pertinence de l’opération selon des critères technologiques & économiques.

Pour réussir cette intégration, il est important de bien mesurer les bénéfices & les contraintes apportés par l’impression 3D métal. De cette façon les industriels sauront s’ils sont capables de maîtriser les principales problématiques du procédé, à savoir :

  • L’offre matériau réduite
  • L’approvisionnement des poudres de matériaux
  • Les règles spécifiques de conception et les supports de fabrication
  • La phase d’impression
  • Les post-traitements et la finition
  • Le contrôle des pièces imprimées

Le lancement d’un projet de test est une solution intéressante pour juger de la faisabilité et de la pertinence d’une intégration de la fabrication additive métallique. Il permet aux industriels de tester et d’évaluer le procédé avant de réaliser leurs propres investissements.

Parmi les autres avantages de ce type de projets, leurs capacités à former rapidement les équipes qui seront amenées à gérer le procédé ou à travailler avec des sous-traitants.

Devenez un expert de la fabrication additive

accompagnement impression 3d métal

Découvrez notre savoir-faire en matière de fabrication additive et profitez d’un accompagnement global & personnalisé.

Le programme SUPCHAD vous est quant à lui accessible, il vous permettra de tester le procédé et de réaliser vos propres travaux de R&D.

Notre accompagnement & SUPCHAD

Formez-vous à la fabrication additive

 

Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme La fissuration à chaud en fusion laser Comment les essais de certification se retrouvent modifiés par la vague de l’IoT et des objets connectés ? aptitude des alliages d’aluminium : l’évaporation des éléments chimiques comme facteur clé ? Lancement de SUPCHAD 2

La stratégie de MECABESS pour l’Industrie du futur

Jean-Michel Sanchez, le dirigeant de la société MECABESS, témoigne dans une vidéo réalisée à l’occasion de la journée Industrie du futur de l’importance de la fabrication additive métallique pour l’avenir de son entreprise.

Actuellement, MECABESS se sert de la fusion laser sur lit de poudre -le procédé de fabrication additive utilisé dans le programme SUPCHAD- pour tester le texturing, la conception de pièces creuses et celle de canalisations coudées. L’entreprise compte ainsi étendre son champs d’action après s’être fait connaître comme spécialiste de l’usinage, du tournage et du fraisage. À terme, J-M Sanchez espère pouvoir proposer à ses clients des produits que ces derniers ne pouvaient pas sous-traiter ni produire eux-même avant. Cet objectif est important pour le dirigeant puisque lors de l’inauguration du programme SUPCHAD, il avait déjà déclaré vouloir « aller beaucoup plus en amont » avec ses clients.

Dans cette interview, Jean-Michel Sanchez témoigne de la capacité de la fabrication additive à libérer la créativité des designers. Il évoque également la complexité des pièces, leurs coûts de revient et comment grâce à tout cela il espère guider son entreprise vers l’industrie du futur.

SUPCHAD

SUPCHAD est un programme de R&D, de montée en compétence et de mise à disposition de moyens technologiques qui regroupe 10 entreprises.

Parmi elles, MECABESS explore les possibilités offertes par la fabrication additive métallique.

 

Découvrir SUPCHAD

 

Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme La fissuration à chaud en fusion laser Comment les essais de certification se retrouvent modifiés par la vague de l’IoT et des objets connectés ? aptitude des alliages d’aluminium : l’évaporation des éléments chimiques comme facteur clé ? Lancement de SUPCHAD 2

FLASHBACK : l’inauguration de SUPCHAD

La fabrication additive : un procédé incontournable à l’avenir

La fabrication additive est une famille de procédés de fabrication souvent présentée comme une révolution industrielle. Cela peut s’expliquer par les capacités uniques de ces procédés et par les nouvelles possibilités qu’ils offrent aux industriels. Des possibilités qui, jusque là, étaient alors inenvisageables avec les procédés de fabrication traditionnels. La fabrication additive est tellement différente que le Ministère de l’Économie, de l’Industrie et du Numérique a déclaré dans son 34ème plan industriel que la fabrication additive sera incontournable dans l’industrie du futur.

Pour les industriels, le constat reste le même. La fabrication additive représente bel et bien l’avenir de l’Industrie. Dans la région Centre-Val de Loire (région qui compte de nombreux donneurs d’ordres et sous-traitants), la fabrication additive offre un potentiel d’innovation stratégique. Au vu des possibilités de ces procédés novateurs, il est naturel de penser qu’ils profiteront aux entreprises de la région et ce quelque soit les filières et les métiers (aéronautique, défense, médical, fabricants d’outillage, fondeurs, moulistes …). S’il ne fait aucun doute que la fabrication additive représente l’avenir, de nombreux industriels s’interrogent encore sur cette technologie, sur son marché réel à terme et sur l’investissement matériel et humain à effectuer pour permettre son exploitation.

Afin de répondre à ces questions, le programme SUPCHAD a été lancé. Inauguré le 27 avril 2016, SUPCHAD est le fruit d’une synergie entre les industriels, les organismes de développement technologique et les institutions (communauté de commune, Région, État & Europe). Il doit permettre aux industriels de profiter de notre expertise en matière de fabrication additive, d’un programme de R&D et de montée en compétences. Plus encore, de nombreux moyens technologiques ont été mis à la disposition des entreprises du consortium parmi lesquels on retrouve une machine de fusion laser sur lit de poudre.

Les objectifs de SUPCHAD

Pascal Marcheix, directeur du CETIM CERTEC revient sur les objectifs de la plateforme SUPCHAD :

Mettre à disposition d’une dizaine d’industriels de la région Centre-Val de Loire, pendant 2 ans, une machine de fabrication additive, pour leur permettre de maîtriser les techniques de fabrication (pilotage, mise en forme, optimisation process…) et d’identifier les faisabilités techniques de leurs propres pièces. Bien entendu le tout avec confidentialité.

Former les industriels par un plan de montée de compétence structuré, abordant les problématiques amont (conception, optimisation…) et avales (Traitement thermique, traitement de surface, nettoyage…). Ce plan est soutenu par les compétences clés déjà acquises par le Cetim-Certec, en pointe sur ce sujet.

Participer à un programme R&D abordant des problématiques industrielles actuelles : développement de nouveaux matériaux, de nouveaux procédés de nettoyage,etc et permettre aux industriels d’avoir une longueur d’avance par rapport à la concurrence nationale et internationale.

Pourquoi le CETIM-CERTEC
pilote-t-il ce programme ?

 

Découvrir notre savoir-faire

Ils l’ont dit lors de l’inauguration de SUPCHAD

Pierre ALVAREZ lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« Repenser le design pour ne mettre de la matière que là où cela est nécessaire car ce que nous recherchons, ce sont des pièces avionables. SUPCHAD nous permet d’accélérer la technologie« 

 

Pierre ALVAREZ

frédéric Dezon lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« L’intérêt de ce groupe de travail est de mixer des PME et des entreprises internationales, d’être à la pointe de cette technologie afin de nous projeter commercialement.« 

 

Frédéric DEZON & Laurent DEBRAIX

 

Thierry raymond lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« Seuls, on ne pourrait pas se payer ce genre d’outil et acquérir les compétences nécessaires. La fabrication additive et le programme SUPCHAD peuvent nous permettre de reconquérir un territoire que l’industrie française a parfois un peu perdu. »

 

Thierry RAYMOND

 

Gilles allory lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« Nos plateformes Orthopée et Supchad se complètent« 

 

Gilles ALLORY

Didier Habert lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« Quantifier le potentiel de cette technologie, (…) appréhender les paramètres clés, (…) se positionner sur le make or buy (…) et amener le procédé à maturité »

 

Didier HABERT

 

Philippe duchemin lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« On est au tout début, c’est maintenant qu’il faut commencer à se lancer, à comprendre la technologie. On peut faire des choses ensemble« 

 

Philippe DUCHEMIN

jean-michel sanchez lors de l'inauguration SUPCHAD

 

« SUPCHAD nous permet d’aller beaucoup plus en amont avec nos clients, le tout avec une approche purement industrialisation« 

 

Jean-Michel SANCHEZ

Le fruit d’une stratégie
de développement régional

 

Les fonds européens FEDER, le Conseil régional Centre-Val de Loire, le Conseil Départemental du Cher et Bourges Plus ont contribué au financement de la plateforme SUPCHAD.

 

SUPCHAD dans le détail

Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme La fissuration à chaud en fusion laser Comment les essais de certification se retrouvent modifiés par la vague de l’IoT et des objets connectés ? aptitude des alliages d’aluminium : l’évaporation des éléments chimiques comme facteur clé ? Lancement de SUPCHAD 2