Caractéristiques des moyens de fabrication additive

De nombreux travaux ont pour but de caractériser, d’évaluer ou de comparer des

moyens de fabrication additive [KVVvM05] [XWL01] [SDD07] [Cas05]. Ces

éva-luations se focalisent souvent sur la qualité géométrique et surfacique des pièces

réali-sées ainsi que sur leurs propriétés mécaniques. Les caractéristiques microstructurales de

nombreux alliages obtenus par les procédés SLS [KVdSBM96], LBM [TVC

10] et EBM

[MEQ

09] [BPA

11] ont également fait l’objet de recherches, notamment pour mettre

en évidence une anisotropie suivant l’axe de fabrication vertical en ce qui concerne la

croissance des grains.

Qualité surfacique et dimensionnelle Les surfaces des pièces produites par les

moyens de fabrication additive présentent une rugosité importante et un aspect

gra-nuleux dus à leur fabrication à partir de poudre. Les surfaces réalisées par SLS (et par

DMLS suivi d’une infiltration) présentent de meilleurs états de surface que celles

fabri-quées par LBM ou DMLS non-infiltré grâce à l’apport de bronze qui atténue la rugosité

[KVVvM05]. Alors que la rugosité arithmétique des moyens Laser se situe aux alentours

de 15µm [KVVvM05], celle des surfaces réalisées à l’aide du procédé EBM est comprise

entre 25 et 35µm

. Les procédés SLS, DMLS et LBM présentent une erreur maximale de

0,1 mm pour une distance de 100 mm

. Les moyens EBM ont une erreur inférieure à 0,2

mm dans les mêmes conditions

, alors que le procédé DMD présente un intervalle

d’incer-titude de 0,3 mm

. Ces données montrent que ces procédés présentent des performances

du même ordre de grandeur dans le domaine des qualités dimensionnelles. D’autre part,

elles ne prennent pas en compte les déformations thermiques qui peuvent se produire lors

de la fabrication.

Les valeurs présentées sont théoriques ; en effet, des machines de taille plus réduite

existent pour certains procédés (Méso-Clad de la société EasyClad pour le procédé DMD

par exemple) et permettent la fabrication avec de meilleures qualités. Quel que soit le

procédé considéré, les applications qui nécessitent des qualités de surface ou géométriques

similaires ou meilleures que celles obtenues par usinage, imposent le recours à des

opé-rations de finition par usinage mécanique, usinage chimique, sablage ou polissage pour

respecter ces spécifications.

Vitesse de fabrication Peu de travaux comparent les vitesses de fabrication des

diffé-rents procédés de fabrication additive car réaliser la même pièce de test, dans les mêmes

conditions, avec des moyens de technologies différentes est souvent complexe. Les valeurs

ci-dessous sont issues de données constructeur pour des machines permettant d’obtenir

des pièces de dimensions « moyennes » (volume de construction d’au moins 200 mm *

200 mm * 200 mm). Parmi les moyens de fabrication additive permettant la production

des pièces métalliques, le SLS (10 à 100 cm

/h) et le DMLS (7 à 70 cm

/h) sont

sensi-blement plus rapides que le LBM (5 à 20 cm

/h). Les procédés DMD (10 à 70 cm

/h) et

EBM (55 à 80 cm

/h) produisent des pièces denses, tout comme le LBM, à des vitesses

nettement plus élevées que celui-ci [VVV12b]. Ces valeurs sont mesurées pour

l’épais-seur de couche maximale (pour les moyens en lit de poudre). Au cours de la fabrication

de pièces complexes, pour minimiser l’effet d’escalier [AKL09] et limiter ainsi les

opé-rations de finition, des épaisseurs de couches plus faibles sont à choisir ; la vitesse est

alors au niveau de la fourchette basse, voire au-dessous (suivant la méthode de mesure du

1. Donnée constructeur d’Arcam, nos valeurs expérimentales se trouvent au chapitre suivant 2. Donnée constructeur de 3D System, Arcam et POM

constructeur). Il faut aussi noter que ces valeurs sont données pour la fabrication d’une

pièce à partir du matériau permettant d’atteindre la vitesse la plus élevée ; l’emploi d’un

autre matériau pouvant également ralentir le procédé. Les moyens SLS et DMLS, bien

que rapides, nécessitent une opération d’infiltration de près de 24h pour obtenir une pièce

quasi-dense [KK07]. Les moyens les plus rapides permettant d’obtenir une pièce dense

sont donc l’EBM et le DMD. Ils présentent, en outre, l’avantage de ne nécessiter que peu

(EBM) ou pas (DMD) de support, ce qui peut constituer une autre source de gain de

temps. La grande vitesse de l’EBM s’explique par la quantité d’énergie, par la vitesse de

balayage élevée, et par la possibilité de faire varier le diamètre du spot de 200µm jusqu’à

1 mm. Il est alors possible de réaliser de petites entités tout en balayant rapidement les

grandes surfaces (à comparer au spot de taille fixe de 70 µm de certains procédés LBM

par exemple). Des solutions à plusieurs Lasers sont expérimentées pour les procédés SLS,

DMLS et LBM [KBC07]. Plusieurs sources Laser effectuent alors le balayage des sections

en parallèle. Cette solution, maintenant commercialisée, peut permettre d’augmenter le

volume de fabrication de la machine et la vitesse de fabrication [KCDK09].

Propriétés des matériaux Nous avons vu que le recours à des sources d’énergie

puis-santes permet l’utilisation d’un grand nombre de matériaux. Les propriétés mécaniques

des pièces obtenues à l’aide des procédés par fusion respectent les standards des matériaux

moulés (Figure 1.7), et parfois les standards des matériaux forgés pour l’EBM [MEQ

09],

tout en ayant une microstructure maîtrisée [BPA

11].

Figure ^{1.7 – Evolution de la limite élastique, de la limite mécanique et de l’allongement}

à la rupture en fonction de la température de préchauffe des couches en EBM, avec et

sans traitement de compression isostatique à chaud (HIP) [ABBZT10]

Les pièces réalisées avec les procédés denses peuvent présenter des porosités fermées

qui dégradent leur comportement mécanique, notamment en fatigue [CG95] [GK90]. Ces

porosités peuvent être présentes directement au sein des particules de poudre, il s’agit

alors de bulles d’argon emprisonnées lors de l’atomisation au gaz, ou n’apparaître que

lors de la fabrication [MEQ

09]. La détection et la quantification de ces porosités

néces-site l’utilisation de moyens d’imagerie 3D tels que la tomographie. Certaines machines

récemment mises sur le marché disposent de systèmes optiques dédiés au contrôle in-situ

de la fabrication pour détecter la présence de porosités durant le processus de

fabrica-tion [AB13].

Impact environnemental La réutilisation directe (après filtrage) de plus de 95 % de

la poudre non liée à l’issue de la fabrication, ainsi que la possibilité de fabriquer des pièces

moins massives et plus adaptées à leur cahier des charges, sont des caractéristiques qui

intéressent grandement les éco-concepteurs [DSRW10]. L’impact environnemental de deux

moyens (SLS et LBM) pour la réalisation d’une pièce d’essai a été quantifié [KDYD10]

et montre que, contrairement à ce qui est parfois considéré, l’impact de la fabrication

n’est pas négligeable par rapport à celui de la phase d’extraction et de création de la

matière première. Une analyse complète de l’impact environnemental d’une pièce réalisée

par fabrication additive métallique tout au long de son cycle de vie, n’a toutefois pas

encore été menée.