Les 7 catégories de processus de la fabrication additive

Autor: David Rodríguez
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13 septembre 2021

Bien que la fabrication additive repose sur l'empilement de couches successives de matériau, il existe différentes façons de procéder pour créer la forme tridimensionnelle finale. Selon le type d'énergie utilisé pour transformer la matière première et la technique utilisée pour ajouter ces couches, il existe 7 grandes familles, définies dans la norme ISO 17296-2:2015, qui englobent l'écosystème de l'impression 3D.

Il convient de noter qu'il s'agit d'un regroupement très général, car chaque famille peut inclure des techniques qui diffèrent les unes des autres, principalement en raison de la nécessité de breveter la technologie. Nous examinerons leur principe de fonctionnement, leur champ d'application, les matériaux possibles à fabriquer et les principales entreprises dans leur domaine, et nous laisserons les sous-processus pour un post sur chacun d'eux en particulier, car les détails font la différence.

Binder Jetting

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel un agent de liaison liquide est déposé sélectivement pour lier des matériaux en poudre. (ISO 52900:2015)

Collage primaire par réaction chimique de l'adhésif. Liaison secondaire pour certains matériaux (notamment les métaux) sous forme de traitement thermique pour obtenir les propriétés finales.

Caractéristiques du processus

  • Sans support, la poudre elle-même agit comme un support
  • Possibilité d'obtenir des pièces colorées
  • Bonne qualité esthétique
  • Rétrait dimensionnel énorme dans le cas des métaux en raison du frittage
  • Grande vitesse de fabrication
  • Coût de l'équipement moyen à élevé
  • Faible coût par pièce
Rétrait dimensionnel des pièces après frittage. Via P. Calves, CETIM

Matériaux

Métaux, plastiques, céramiques, composites, bois, verre, sable et gypse. Présenté sous forme de poudre.

Applications

  • Lots de production moyens à faibles.
  • Prototypes de couleur
  • Pièces métalliques ayant des exigences de charge mécanique faibles
  • Diversité des tailles. Dans le cas des métaux, des pièces non massives et de petite taille

Entreprises

3DSystems (Z Corp), Desktop metal (inclut ExOne), Voxeljet

La Shop System de Desktop Metal avec son unité de frittage. Via Desktop Metal.

Directed Energy Deposition

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel une énergie thermique focalisée est utilisée pour fusionner des matériaux en les faisant fondre au fur et à mesure qu'ils sont déposés. (ISO 52900:2015)

Source d'énergie sous forme de laser, de plasma, d'arc électrique ou de faisceau d'électrons. Liaison par fusion du matériau et solidification ultérieure.

Séquence de production d'une pièce. Via Bernardo Freire et al.

Caractéristiques du processus

Sans supports, le matériau est toujours alimenté à la normale du plan de travail.

  • Taux de dépôt élevés
  • La plate-forme possède plusieurs degrés de liberté, contrairement aux autres technologies où elle ne se déplace que sur l'axe Z.
  • Coût élevé

Matériaux

Métallique, céramique. Sous forme de filament ou de poudre.

Applications

  • Fabrication hybride
  • Matériaux de construction
  • Réparations
  • Revêtements
  • Grandes pièces
  • Pièces multi-matière
Reconditionnement d'un vilebrequin usé d'un moteur diesel de navire par DED. Via H. Koehler et al
Résultat des travaux, zone injection d'huile et derrière. Via H. Koehler et al

Entreprises

Trumpf, Optomec, DMG Mori, Sciaky Inc, Norsk Titanium, MX3D

Material Extrusion

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel le matériau est distribué de manière sélective à travers une buse ou un orifice. (ISO 52900:2015)

Le matériau est fondu dans la buse pour passer à travers l'orifice et est déposé sur la plate-forme ou le matériau de la couche précédente. La plate-forme se déplace sur l'axe Z et la buse se déplace sur l'axe XY.

La source d'activation peut être la chaleur ou les ultrasons et le mécanisme de liaison est principalement thermique, bien qu'il soit également possible de trouver des technologies qui se lient par réaction chimique.

Caractéristiques du processus

  • Processus lent
  • Imprimantes de bureau abordables en termes de prix, de taille et de performances
  • Dans le cas des machines industrielles, le coût est moyennement-élevé
  • Faible qualité esthétique
  • Remplissage réglable. Possibilité de paramétrer le remplissage des parois de la pièce
  • Principe de fonctionnement simple
  • Facilement extensible, pas de limitation technique de taille.

Matériaux

Thermoplastiques, métallurgiques, composites, sous forme de fils (bobines) ou de granulés.

Pièce FDM en ULTEM 1010. Via Stratasys.

Applications

  • Prototypes
  • Pièces de remplacement sur place
  • Unique ou très petite série
  • Pièces en plastique technique

Entreprises

Stratasys, Makerbot, Prusa, Ultimaker, Desktop metal

Ultimaker Original, imprimante de bureau "do it yourself". Via Ultimaker

Material Jetting

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel des gouttelettes de matériau de construction sont déposées de manière sélective. (ISO 52900:2015)

Le matériau liquide est déposé linéairement par des buses et lié par réaction chimique activée par une source lumineuse (pour les résines photopolymères) ou par solidification du matériau fondu (cires).

La tête contenant les bus se déplace mécaniquement en X-Y, la précision dans ces axes est donc constante.

Caractéristiques du processus

  • Possibilité d'imprimer des multi-matériaux sur une seule pièce
  • Impression en couleur et avec différentes textures disponibles
  • Techniquement, il n'y a pas de limitation de la taille d'impression
  • Des détails très fins
  • Coût moyen-faible
Prototype de torche. Via Stratasys.

Matériaux

Plastiques (thermosets), métalliques et cires, généralement à l'état liquide.

Applications

  • Prototypes en plastique avec différentes duretés et flexibilités dans la même pièce
  • Maquettes de produits
  • Modèles pour la coulée à la cire perdue. Bijoux

Entreprises

Stratasys (inclut Solidscape), 3D Systems, Xjet (métal)

Stratasys Objet500 Connex3. Via Stratasys.

Powder Bed Fusion

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel l'énergie thermique fusionne sélectivement des régions d'un lit de poudre. (ISO 52900:2015)

Une source d'énergie thermique (laser, lampe infrarouge ou faisceau d'électrons) frappe la surface d'un matériau qui a été apporté par une lame ou un rouleau. Le matériau est lié par la réaction chimique provoquée.

La source d'activation dessine la couche dans l'axe X-Y et les plates-formes (construction et fourniture de matériaux) se déplacent dans l'axe Z.

Caractéristiques du processus

  • On travaille dans des atmosphères contrôlées (O2 et température).
  • Dans le cas des plastiques, nous travaillons sans supports et utilisons tout le volume de la chambre XYZ
  • Dans les métaux, la gestion des supports est un facteur critique
  • Il est possible de retravailler les pièces (fabrication hybride)
  • Très large gamme d'alliages métalliques
  • Processus complexe et coûteux
Étude de cas d'implant crânien. Vía Renishaw

Matériaux

Polymères thermoplastiques et métalliques sous forme de poudre.

Applications

  • Pièces finales à haute valeur ajoutée
  • La pièce fonctionnelle pour les applications réglementées: aéronautique, aérospatiale, médicale, automobile
  • Séries courtes ou unitaires

Entreprises

HP, EOS, Renishaw, General Electric (Concept Laser, Arcam), SLM Solutions, 3D Systems

EOS M290. Via EOS.

Sheet Lamination

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel des feuilles de matériau sont assemblées pour former un objet. (ISO 52900:2015)

Les feuilles sont empilées sur un plan de travail où elles sont assemblées en couches et formées. La méthode d'assemblage peut être l'adhésif par réaction chimique, le soudage par ultrasons ou l'énergie thermique. Le contour du plan en question est ensuite découpé et la couche suivante est ajoutée.

Caractéristiques du processus

  • Taux de dépôt élevé par volume
  • Permet de combiner des matériaux
  • Possibilité d'inclure des composants embarqués
  • Coûts de machinerie et d'exploitation modérés

Matériaux

Papier, carton, plastiques, composites et métaux, tous sous forme de feuilles.

Pièces imprimées en papier. Via Clean Green 3D.

Applications

Modèles esthétiques et visuels

Entreprises

Clean Green, Desktop Metal (inclut Envisiontec), Impossible Objects

CBAM-2 de Impossible Objects. Vía Impossible Objects

Vat Photopolymerization

Via ISO 17296-2:2015

Définition et principe de fonctionnement

Procédé de fabrication additive dans lequel un photopolymère liquide dans une cuve est sélectivement durci par polymérisation activée par la lumière. (ISO 52900:2015)

Un réservoir rempli de résine photopolymère reçoit le rayonnement UV d'un laser (impact ponctuel le long des axes X-Y) ou d'une lampe (impact dans tout le plan X-Y). La résine liquide (monomères) se solidifie par la réaction chimique de polymérisation sur une plate-forme qui s'enfonce dans la cuve ou s'en éloigne.

Caractéristiques du processus

  • Variété de résines, notamment en DLP
  • Vitesse de fabrication élevée de la DLP, la SLA traditionnelle étant plus lente.
  • Offre d'équipement de bureau
  • Haute qualité des surfaces et des détails
  • Coût moyen à élevé pour les équipements industriels

Matériaux

Résines photopolymères (thermosets). État liquide.

Applications

  • Prototypes, maquettes et modèles. Facilement traitable à la main pour la finition et la peinture
  • Master pour la coulée sous vide (duplication)
  • Partie finale non soumise à des charges ou à une longue exposition extérieure
Semelle de Carbon3D pour le modèle Futurecraft 4D en matière EPU 41. Via Carbon3D.

Entreprises

3D Systems, Desktop Metal (inclut Envisiontec), Photocentric, Formlabs, Stratasys (Origin)

ProX 800 de 3D Systems. Via 3D Systems.

RÉFÉRENCES

Image mise en avant, collage de l'auteur, source:

MX3D

Carbon

  • ISO 17296-2:2015 Additive manufacturing — General principles — Part 2: Overview of process categories and feedstock
  • ISO/ASTM 52900:2015 Additive manufacturing — General principles — Terminology
  • O. Diegel, A. Nordin, D. Motte. A Practical Guide to Design for Additive Manufacturing. Springer (2019)
  • M. Puerto Pérez-Pérez, Miguel A. Sebastián, Emilio Gómez-García, Análisis y propuesta para la utilización de los contenidos en normas técnicas para la enseñanza de la Fabricación Aditiva, presented at XXII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Madrid, Spain, 19-21 Sept 2018
  • A. Danut Mazurchevici, D. Nedelcu & R. Popa, Additive manufacturing of composite materials by FDM technology: A review, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 27, 179-192, April 2020
  • P. Calves, Metal Binder Jetting une opportunité pour la production de petits composants complexes en petite et moyenne série, Traitements & Matériaux, 452, 50-56, Mai-Juin 2018
  • B. Freire, M. Babcinschi, L. Ferreira, B. Señaris, F. Vidal & P. Neto,Direct Energy Deposition a complete workflow for the additivemanufacturing of complex shape parts, Procedia Manufacturing 51, 671–677, Jun 2021
  • H. Koehler, K. Partes, T. Seefeld & F. Vollertsen, Laser reconditioning of crankshafts: From lab to application, Physics Procedia 5 387–397, 2010

David Rodríguez

3D Printing professional. Mining & Energy Engineer B.Sc. Industrial Engineer M.Sc. Believe to make.

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