La révolution de la fabrication additive : la fusion sur lit de poudre

La fusion sur lit de poudre révolutionne la fabrication additive en utilisant la poudre métallique pour créer des pièces complexes et précises. Cette technologie offre de nombreux avantages dans des secteurs tels que l'aéronautique et la médecine. Cet article explore les principes fondamentaux, les matériaux utilisables, compare les technologies PBF et DED, présente des cas d'études et aborde les considérations de sécurité et environnementales.

📊 Les chiffres clés de la fusion sur lit de poudre

La fusion sur lit de poudre permet de créer des pièces avec une précision allant jusqu'à 50 microns, offrant ainsi un niveau de détail et de complexité inégalé dans la fabrication additive.

Introduction à la fusion sur lit de poudre

Le filtrage sélectif laser, procédé PBF, utilise de la poudre métallique étalée couche par couche, fusionnée par le faisceau laser. Le DED achemine la poudre vers une buse pour la déposer sur un substrat chauffé par laser.

1. Fonctionnement des procédés

Fusion sur lit de poudre (PBF)

Découvrez le fonctionnement de la stéréolithographie : en PBF, la poudre est étalée couche par couche à l'aide d'un racleur ou d'un rouleau. Le laser fusionne les pièces à une altitude constante. Les machines peuvent être équipées de plusieurs lasers pour améliorer la productivité, mais ne peuvent utiliser qu'un seul type de poudre à la fois.

Dépôt d'énergie concentrée (DED)

En DED, la poudre est acheminée vers une buse et projetée sur un substrat chauffé par le laser. Les machines ressemblent à des centres d'usinage multi-axes avec une tête d'impression à la place de la tête de fraisage. Il est possible d'utiliser plusieurs poudres et de les mélanger pour créer des gradients de matière.

2. Applications et compatibilité matériaux

La technologie PBF est adaptée à la production de pièces quasi-finies, géométriquement complexes ou impossibles à produire par des moyens conventionnels, pour de nombreux secteurs (aéronautique, automobile, médical, énergie, outillage...). La plupart des matériaux courants (titane, inconel, aluminium, cuivre, aciers inoxydables) sont compatibles.

La technologie DED convient pour fonctionnaliser des pièces existantes (ajout de fonction, revêtement) et fabriquer des pièces peu complexes géométriquement. Les matériaux soudables classiques sont utilisables, ce qui représente un avantage pour la réparation.

3. Complexité géométrique

Le PBF permet d'atteindre une plus grande complexité géométrique et finesse d'impression que le DED. Il y a un facteur 10 à 20 entre la précision obtenue en PBF (~100 µm) et en DED (~1 à 2 mm).

4. Productivité

À matériaux équivalents, les solutions PBF multi-lasers ont aujourd'hui des productivités similaires au DED en cm3/h. Mais ces technologies ne répondant pas aux mêmes applications, la comparaison est relative. Le DED étant adapté à l'ajout localisé de matière, son temps de cycle peut être plus intéressant. Il faut donc comparer au cas par cas pour choisir la technologie offrant le meilleur résultat technico-économique.

5. Résolution et état de surface

Les pièces PBF ont une meilleure résolution que celles en DED. Dans les deux cas, une reprise d'usinage est nécessaire pour finaliser la pièce et lui donner sa géométrie définitive. Les exigences de qualité de surface sont généralement plus élevées pour les pièces PBF.

6. Post-traitements

Le PBF et le DED requièrent des post-traitements similaires : traitements thermiques, usinage, rectification. Le PBF demande en plus le retrait des supports et le traitement des canaux internes. Le post-traitement représente 20 à 60% du coût total d'une pièce métallique issue de fabrication additive.

7. Compétences et formation

Les solutions PBF et DED modernes sont conçues pour être faciles à prendre en main par des utilisateurs de logiciels de CAO/FAO courants.

8. Environnement de travail et sécurité

Pour les deux technologies, il est primordial d'assurer un zéro contact entre opérateurs et poudres/suies, qui présentent des risques immédiats (incendie, explosion) et à long terme (CMR). Les constructeurs intègrent de plus en plus ces enjeux HSE.

9. Équipements auxiliaires

Selon la technologie et l'application, différents équipements complémentaires peuvent être requis : boîte à gants, scie, dépoudrage, lavage, four de détensionnement... Pour produire une pièce finie, il faut aussi disposer de machines d'usinage et de finition.

10. Coût des systèmes

Une comparaison directe des prix entre PBF et DED n'est pas pertinente car ces technologies n'adressent pas les mêmes marchés et applications.

Les matériaux utilisables et leurs applications

Les technologies PBF et DED utilisent toutes deux de la poudre métallique et un faisceau laser comme source d'énergie pour fusionner le métal. Cependant, elles se différencient principalement par leur mode de déposition de la poudre :

1. Fonctionnement

PBF (fusion sur lit de poudre)

• La poudre est étalée couche par couche sur un plateau à l'aide d'un racleur ou rouleau
• Le laser fusionne les pièces à une altitude constante
• Un ou plusieurs lasers pour augmenter la productivité
• Une seule poudre métallique utilisée à la fois

DED (dépôt d'énergie concentrée)

• La poudre est acheminée vers une buse puis projetée sur le substrat
• Le laser chauffe le substrat sur lequel est déposée la poudre
• Machines multi-axes type centre d'usinage avec tête d'impression
• Possibilité de mélanger plusieurs poudres pour des gradients de matière

2. Applications et matériaux

PBF

• Production de pièces quasi-finies géométriquement complexes
• Secteurs : aéronautique, automobile, médical, énergie, luxe...
• Matériaux courants : titane, inconel, aluminium, cuivre, inox
• Moins adapté à certains alliages (aciers haut carbone, aluminiums très siliciés)

DED

• Ajout de fonctions et revêtement sur pièces existantes
• Fabrication de pièces de géométrie peu complexe
• Réparation de pièces
• Matériaux soudables classiques

3. Complexité géométrique

• PBF permet plus de complexité et finesse d'impression (~100 µm)
• DED offre la fonctionnalisation de pièces existantes avec une précision moindre (~1-2 mm)

4. Productivité

• Productivité équivalente (en cc/h) entre PBF multi-lasers et DED
• DED bien adapté à l'ajout localisé de matière pour optimiser les temps de cycle

5. Résolution et finition de surface

Un post-usinage est nécessaire dans les 2 cas pour finaliser les pièces. Les pièces PBF sont mieux résolues que celles en DED.

6. Post-traitements

Post-traitements similaires (thermiques, usinage, rectification), avec en plus pour le PBF :

• Retrait des supports de fabrication
• Traitement des canaux internes (refroidissement de moules, échangeurs)

7. Compétences requises

Prise en main facile des solutions logicielles CAO/FAO pour les 2 technologies.

8. Précautions HSE

Pour PBF et DED :

• Assurer un zéro-contact entre poudres/suies et opérateurs
• Risques d'incendie et explosion (suies, poudres réactives)
• Risques CMR des poudres et suies

9. Équipements auxiliaires requis

Selon les applications :

• Boîte à gants, scie, dépoudrage automatisé, machine à laver, four de détensionnement
• Machines d'usinage et de finition pour obtenir l'état de surface final

10. Coût

L'écart de prix entre PBF et DED n'est pas toujours pertinent car ils n'adressent pas les mêmes marchés.

Comparaison des technologies PBF et DED

La fabrication additive métal a connu un essor considérable ces dernières années, offrant de nouvelles possibilités pour la production de pièces aux géométries complexes. Parmi les différentes technologies disponibles, la fusion sur lit de poudre (PBF) et le dépôt d'énergie concentrée (DED) se distinguent par leurs approches uniques. Bien qu'elles permettent toutes deux de produire des composants métalliques de haute qualité, ces deux méthodes présentent des différences notables en termes de fonctionnement, de matériaux compatibles et d'applications industrielles.

Principes de fonctionnement distincts

Les procédés PBF et DED s'appuient sur des principes de fonctionnement fondamentalement différents. La fusion sur lit de poudre consiste à étaler une fine couche de poudre métallique sur un plateau, puis à fusionner sélectivement les particules à l'aide d'un laser ou d'un faisceau d'électrons afin de former la section de la pièce. Ce processus est répété couche après couche jusqu'à obtention de l'objet final.
En revanche, le dépôt d'énergie concentrée projette directement de la poudre ou du fil métallique dans le faisceau laser, l'énergie étant ainsi focalisée sur une zone très restreinte. La matière est déposée et fondue simultanément, permettant de construire la pièce point par point.

Ces différences de fonctionnement ont un impact direct sur les capacités des deux technologies. Le procédé PBF offre une excellente résolution et une grande précision, avec des épaisseurs de couches généralement comprises entre 20 et 100 µm. Il est ainsi idéal pour réaliser des pièces aux détails fins et aux géométries internes complexes.
Le DED permet quant à lui des taux de dépôt plus élevés, de l'ordre de plusieurs kg/h, mais au détriment de la précision (résolution typique de 0,3 à 1 mm). Cette productivité accrue le rend intéressant pour fabriquer des pièces de grandes dimensions ou pour l'ajout de fonctions.

Matériaux utilisables et applications

Si les deux technologies sont compatibles avec une large gamme d'alliages métalliques (aciers, alliages de titane, inconel, aluminium...), le procédé PBF impose des contraintes plus strictes sur les poudres utilisées en termes de morphologie et de distribution granulométrique. Certains matériaux développés historiquement pour d'autres procédés comme la forge peuvent ainsi se révéler inadaptés. Le DED offre une plus grande flexibilité, la plupart des matériaux soudables pouvant être mis en œuvre.
Un avantage du DED réside aussi dans la possibilité de combiner plusieurs matériaux au sein d'une même pièce pour obtenir des gradients de propriétés, voire de réaliser du placement de fibres.

En termes d'applications, le PBF est particulièrement adapté à la production de petites séries de pièces complexes et légères pour l'aéronautique, le médical (implants) ou l'outillage (moules avec canaux conformés). Le DED trouve son intérêt pour l'ajout de fonctions (bossages, ailettes), les réparations (rechargement de cordons) ou la fabrication de pièces de grandes dimensions pour lesquelles l'usinage représente une part importante.

Complémentarité des deux approches

Malgré leurs différences, les procédés PBF et DED apparaissent davantage complémentaires que concurrents. Certains acteurs comme AddUp ont d'ailleurs fait le choix de proposer les deux technologies afin d'adresser un spectre applicatif le plus large possible.
Le PBF s'impose comme la solution de choix pour produire des pièces aux géométries innovantes avec un excellent degré de précision. Le DED offre quant à lui plus de flexibilité et une productivité accrue, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités de conception et de réparation.

À l'avenir, la combinaison intelligente de ces deux technologies, couplée à une conception adaptée, pourrait permettre de repousser encore les limites de la fabrication additive métal. Les pièces obtenues associeraient ainsi des zones complexes imprimées par PBF avec des features massives réalisées par DED, le tout avec un minimum d'opérations de finition. Une perspective enthousiasmante pour l'industrie !

Cas d'études et développements récents

La fusion laser sur lit de poudre est en passe de révolutionner les méthodes de fabrication traditionnelles en permettant de produire rapidement des pièces complexes aux propriétés uniques. Cette technique d'impression 3D métal s'avère particulièrement adaptée pour relever les défis de production les plus ambitieux dans des secteurs exigeants comme l'aéronautique, le médical ou l'automobile.

Quand l'impression 3D repousse les limites de conception

L'un des atouts majeurs de la fusion laser est sa capacité à fabriquer des géométries impossibles ou extrêmement coûteuses à réaliser avec l'usinage conventionnel. Cette liberté de conception offre l'opportunité d'optimiser la fonctionnalité et les performances des composants. C'est le cas avec ce collecteur d'admission d'air pour moteur de Formule 1, imprimé en 3D en alliage d'aluminium AlSi10Mg par l'équipe McLaren Racing et son partenaire Stratasys :

• Design optimisé par simulation pour maximiser le flux d'air
• Structure interne à canaux complexes
• Gain de 15% de puissance moteur
• Réduction de poids de 200g par rapport à la pièce usinée

La technologie a également été exploitée par Airbus pour fabriquer des fixations aérodynamiques en titane pour l'A350 XWB. Alors qu'une production classique aurait nécessité l'assemblage de 5 éléments, l'intégration permise par la fusion laser donne naissance à une pièce monolithique plus légère et robuste, tout en réduisant le temps de fabrication de plusieurs semaines à quelques jours seulement.

Innover en combinant matériaux et procédés

La recherche sur les poudres métalliques utilisables en fusion laser ne cesse de progresser pour élargir la palette de matériaux imprimables et développer des alliages sur-mesure répondant à des besoins spécifiques. Le spécialiste des poudres Erasteel et le fabricant AddUp se sont ainsi associés pour mettre au point un acier innovant à haute limite élastique particulièrement adapté à l'impression 3D :

D'autres développements visent à combiner la fusion laser avec d'autres procédés pour tirer parti du meilleur des différentes technologies. Comme l'illustre cette turbine de moteur d'hélicoptère en Inconel 718 réalisée par Safran Helicopter Engines :

• Structure interne lattice imprimée en 3D pour l'allègement
• Pièce brute parachevée par usinage 5 axes
• Traitements thermiques pour optimiser les propriétés
• Divise par 2 le nombre de composants par rapport au modèle précédent

Cap sur l'industrialisation des procédés

Si l'impression 3D métal a d'abord été cantonnée au prototypage et aux petites séries, les récentes améliorations en termes de vitesse, de répétabilité et d'automatisation des procédés ouvrent la voie à une production à plus grande échelle dans un contexte industriel.

Le fabricant SLM Solutions a par exemple dévoilé en 2022 sa nouvelle machine NXG XII 600, dotée de 12 lasers de 1kW et capable d'atteindre un débit d'impression record allant jusqu'à 1000 cm3/h. Par comparaison, les imprimantes mono-laser standards plafonnent généralement autour de 50 cm3/h. Ces progrès en productivité, conjugués à une fiabilisation croissante des équipements, rendent désormais rentable l'utilisation de la fabrication additive pour des volumes de l'ordre du millier de pièces.

L'intégration numérique de la chaîne de valeur est un autre enjeu clé pour passer d'expérimentations ponctuelles à une fabrication série maîtrisée. Des logiciels émergent pour assister la conception des pièces imprimées, simuler et optimiser le procédé, suivre et certifier la production. Des géants comme Siemens, Autodesk ou Dassault Systèmes investissent massivement ce champ pour proposer des solutions métier intégrées.

Exemples d'études de cas, innovations matériaux et machines, montée en cadence, chaîne numérique… Les initiatives se multiplient pour faire passer la fusion laser sur lit de poudre à l'échelle industrielle et transformer en profondeur les manières de produire. Une tendance qui devrait encore s'accélérer dans les années à venir avec la mise en place de standards et la baisse des coûts liés à la démocratisation de la technologie.

Sécurité et considérations environnementales

Lorsqu'il s'agit d'utiliser des technologies de fusion sur lit de poudre comme le frittage laser direct de métal (DMLS) ou la fusion laser sélective (SLM), la sécurité est primordiale. Ces procédés mettent en œuvre des poudres métalliques fines et des sources laser de forte puissance, ce qui implique de prendre des précautions pour protéger la santé des opérateurs et l'environnement.

Mesures de sécurité obligatoires

L'utilisation des machines de fusion sur lit de poudre doit se faire dans un environnement contrôlé, avec plusieurs mesures de sécurité :

• Port d'équipements de protection individuelle (EPI) : masque respiratoire filtrant, lunettes, gants, blouse
• Manipulation des poudres sous hotte aspirante ou en atmosphère inerte (azote, argon) pour éviter les risques d'explosion et d'inhalation
• Collecte et filtration des fumées et poussières émises pendant le procédé
• Nettoyage régulier de la machine et de la zone de travail pour éviter l'accumulation de particules
• Formation des opérateurs aux risques spécifiques (toxicité, inflammabilité) liés aux poudres métalliques utilisées (titane, aluminium, inconel, etc.)

Impact environnemental

Bien que la fabrication additive permette de réduire les chutes de matière par rapport à l'usinage, elle génère des déchets devant être traités de manière appropriée :

• Poudres non fusionnées, pouvant être tamisées et en partie recyclées
• Supports et pièces non conformes nécessitant d'être refondus
• Consommation significative d'énergie (laser, chauffage du lit de poudre, maintien sous atmosphère inerte)

Pour minimiser l'impact environnemental, il est recommandé de :

• Optimiser le taux de remplissage des plateaux pour réduire la quantité de poudre non utilisée
• Privilégier quand c'est possible des supports solubles ou faciles à retirer
• Recycler au maximum les poudres non fusionnées après tamisage
• Valoriser les pièces non conformes et supports comme matière première secondaire

Réglementation

En France, l'installation de machines de fusion laser sur lit de poudre est soumise à déclaration auprès de la DREAL en raison des risques qu'elles présentent (rubrique ICPE 2565). Il faut s'assurer de leur conformité aux normes en vigueur, notamment :

• Directive Machines 2006/42/CE pour la sécurité des équipements
• Directive ATEX 2014/34/UE en cas d'utilisation en atmosphère explosive
• Respect des valeurs limites d'exposition professionnelle (VLEP) aux agents chimiques

Le déploiement de la fabrication additive métallique dans l'industrie française rend indispensable la maîtrise des enjeux HSE. C'est un prérequis pour assurer la sécurité des personnes et une utilisation durable de ces technologies innovantes mais pas sans risque lorsqu'elles sont mal employées. Le respect des bonnes pratiques et de la réglementation doit permettre de prévenir les accidents et de minimiser l'impact environnemental des procédés de fusion sur lit de poudre.

Un avenir prometteur pour la fusion sur lit de poudre

La fusion sur lit de poudre est une technologie de fabrication additive en constante évolution, offrant des possibilités passionnantes pour la création de pièces complexes et de haute précision. Avec les progrès continus dans les matériaux, les logiciels et les systèmes, cette technologie devrait connaître une adoption croissante dans de nombreux secteurs industriels. Les développements futurs pourraient inclure une automatisation accrue, une optimisation des processus et une intégration plus poussée avec d'autres technologies de fabrication, ouvrant la voie à de nouvelles applications innovantes.