De nouveaux filaments tels que l’Ultrafuse 316L de BASF rendent dorénavant l’impression 3D métal accessible à tous. A bien différencier des filaments de « décoration » comme par exemple le SteelFill Acier de Colorfabb, les filaments métalliques donnent aux impressions post-traitées les mêmes propriétés mécaniques d'exception qu’un usinage traditionnel peut offrir. Bien qu’ils soient compatibles avec des imprimantes 3D standard, sont-ils aussi simple d’impression qu’un filament basique ?
Les avantages de l'impression 3D métal
Résistantes et plus légères, les impressions 3D métal sont réalisées grâce à des filaments spéciaux offrant des propriétés mécaniques similaires aux pièces produites avec des méthodes de fabrication traditionnelle. Les pièces finales disposent de caractéristiques remarquables grâce à la composition unique du filament.
La composition des filaments
Afin de créer des filaments pour l’impression métallique, de la poudre de métal doit être mélangée à un ou plusieurs liants afin que le filament créé soit adapté à l’impression 3D. Les filaments sont alors imprimables sur la majorité des imprimantes à entraînement direct ou à Bowden. Avec une composition importante de poudre métallique dans le filament, les pièces finales imprimées doivent être post-traitées afin de retirer le liant restant et ainsi avoir une pièce entièrement métallique.
Les avantages et applications de l'impression 3D métal
Les filaments conçus pour l’impression métal disposent de nombreuses caractéristiques uniques aux métaux. L’impression 3D métallique vous permet de perdre moins de matières qu’avec des méthodes de fabrication traditionnelles tout en gagnant en légèreté. Elle vous permet aussi d'aller plus loin dans la minimisation d’utilisation de matières et dans la réduction de vos coûts grâce à l'optimisation topologique. Les impressions 3D métal post-traitées sont dotées d’une grande légèreté tout en préservant leurs diverses résistances mécaniques et thermiques. Cette technologie permet surtout de réduire les délais de production ainsi que les coûts de fabrication tout en offrant la possibilité aux entreprises de créer des pièces personnalisées.
Abordable et rapide, l’impression métallique permet de réaliser des outillages, des gabarits ou accessoires, des prototypes fonctionnels, de biens de consommation, etc… Toutes ces applications sont possibles dans de divers secteurs tels que l’automobile, l’électronique, le médical ou encore le sport. Ce type d’impression est une réelle valeur ajoutée pour des secteurs techniques grâce à sa rapidité et liberté de conception.
De la modélisation au post-traitement
L'impression 3D métal, bien qu'elle soit réalisable sur une majorité des imprimantes du marché, elle reste une technologie complexe où de nombreux facteurs sont à prendre à compte. De la modélisation au post-traitement, votre pièce doit être pensée de manière stratégique.
La modélisation des pièces métalliques
Le processus d’impression 3D dépend de la géométrie et la complexité de la pièce voulue. Néanmoins pour l’impression métallique, certains points sont à étudier, adapter ou rectifier pour minimiser les contraintes liées aux phases de post-traitement.
Tout d’abord, designer vos pièces de manière à ce que l'impression soit plus facile. Par exemple, pour les trous, il est nécessaire de les modifier comme sur l'image 1 ci-dessous pour éviter un effondrement lors du frittage ou déliantage mais aussi pour réduire voir éviter les supports. Dans son guide, Markforged préconise de créer des trous d’une taille minimale de 1.5mm en X et Y et de 1.0mm en Z.
BASF - Foward AM averti dans son guide d’impression métallique quant à l’épaisseur des parois. En effet, l’épaisseur des parois de vos pièces ne doit pas être inférieure à 1mm au risque de fracturer la pièce lors du frittage. Celle-ci doit être un multiple de la largeur d’extrusion car de nombreux slicer travaillent de la surface extérieure vers l’intérieur. De ce fait, si la largeur de l’extrusion ne correspond pas à l’épaisseur de vos parois, les parties inférieures pourront être laissées sans remplissage ou bien avec un remplissage partiel.
De plus, nous vous conseillons d’éviter le plus possible les surplombs supérieurs à 45°C, bien qu’ils soient réalisables lors de l’impression, ils ne tiendront pas lors du post-traitement s’ils ne sont pas bien supportés. Il est important de retenir qu’il faut laisser les supports de maintien tout au long du processus de fabrication.
Enfin, il est recommandé d’utiliser des chanfreins, congés ou angles arrondis, comme sur l'image 2 ci-dessus, pour éviter un décollement lors de l’impression 3D de la pièce. Ils permettent également de réduire la concentration de contraintes thermiques subies par la pièce lors du post-traitement.
Nous vous invitons à lire le guide complet de BASF - Forward AM disponible ici pour en apprendre plus sur les facteurs de modélisation.
Slicing des modèles
Le « slicing » ou la programmation pour l’impression nécessite également de prendre en compte quelques points. L’un des points essentiels est de programmer l’impression correctement afin que la pièce résiste aux phases de post-traitement à venir.
Pour cela, orientez votre pièce de manière à maximiser la surface en contact avec le plateau comme sur l’image ci-dessus. Plus la surface en contact avec le plateau sera grande, plus vous aurez de chance de réussir votre impression métallique.
Si vous ne pouvez pas supprimer tous les supports, vous pouvez cependant les modifier pour les optimiser. En effet, séparez vos supports comme dans le schéma ci-dessous afin de réduire le temps d’impression. Assurez-vous tout de même qu’ils soient faciles à enlever après le post-traitement. Si votre pièce dispose d’angle supérieur à 45°, il est recommandé d’utiliser des supports. Les supports peuvent être faits de la même matière que la pièce. Ils seront alors à enlever qu'après le frittage.
De plus, lors du post-traitement, vos pièces rétréciront de 16 à 20% en moyenne par rapport à leur taille initiale à cause du post-traitement. Pour contourner cette contrainte, il est nécessaire d’appliquer des facteurs de surdimensionnement. Il vous suffit d'augmenter la taille de votre pièce dans les directions X et Y de 16% et de 20% dans la direction Z. Il est important de noter que ces valeurs sont des moyennes
Enfin, pour garantir une bonne adhésion de votre pièce au plateau, nous vous conseillons d’utiliser des bordures ou radeaux. Pour des pièces complexes comme des modèles 3D de grande taille, avec des angles saillants ou encore ayant peu de contact avec le plateau, il est plus recommandé d’utiliser un radeau afin d’avoir la meilleure adhésion possible.
L'impression 3D des pièces métalliques
L’impression métallique est en soit accessible sur la majorité des imprimantes 3D du marché, néanmoins les résultats dépendront de la qualité d’impression de la machine. Il est conseillé d’avoir une imprimante équipée d'une buse pouvant chauffer jusqu’à 280°C et d’un plateau de fabrication pouvant chauffer jusqu’à 130°C. A cause de la forte déformation du matériau, il est également recommandé d’avoir une chambre d’impression fermée et chauffée. Cela permet de minimiser le flux d’air présent.
Des filaments pour l’impression 3D métal tels que l’Ultrafuse 316L ont déjà pu être testés et validés sur les Ultimaker série S. Ces imprimantes sont capables de supporter l’impression métallique grâce à leurs buses et leurs systèmes d’entraînement résistants. Certains liants sont dotés d’une capacité antidérapante limitant ainsi le frottement et l’usure possible lors de l’entraînement du filament jusqu’à la buse.
Il est important de tester le paramétrage de votre imprimante avant de vous lancer dans votre impression finale. Cela permet également d’obtenir une première couche satisfaisante. Réalisez également des tests pour affiner le surdimensionnement de votre pièce. Cela peut demander plusieurs essais pour atteindre les mesures précises voulues.
Déliantage et frittage des pièces
Lorsque les pièces sont imprimées, elles sont appelées « pièces vertes ». Ces pièces sont composées de liant et de poudre métallique. Pour rendre ces pièces entièrement faites de métal, il va falloir les post-traiter avec 2 processus : le déliantage et le frittage.
Ce premier post-traitement consiste en un processus thermochimique où les pièces vertes sont exposées à de l’acide nitrique gazeux (HNO3) sous atmosphère d’azote et chauffées. Le but du déliantage est de retirer le liant nécessaire à l’impression 3D en un minimum de temps sans impacter la pièce finale. A la fin du déliantage, les pièces sont nommées des « pièces brunes », elles sont plus fragiles que les pièces vertes mais sont stables dimensionnellement.
Suite au déliantage, les pièces brunes doivent maintenant être frittées. Le frittage permet de consolider et regrouper les particules métalliques afin de solidifier et densifier vos pièces. A la fin de cette étape, vos pièces sont entièrement faites de métal et prêtes à être utilisées.
Le déliantage et le frittage sont les post-traitements principaux et nécessaires à l’impression métallique. Cependant, il peut être utile de continuer de post-traiter les pièces à la fin de ces 2 étapes avec des méthodes plus classiques telles que le polissage, le fraisage, le traitement thermique et le revêtement.
Certains fabricants dont BASF proposent de réaliser le post-traitement eux-mêmes ou par un prestataire afin de simplifier la tâche au client. Cependant, ils arrivent qu’une taille maximale pour les pièces soit autorisée pour le processus de post-traitement. N’hésitez pas à contacter notre équipe d’experts pour en apprendre plus sur ces dimensions.
https://makershop.fr/blog/limpression-3d-metal-accessible-pour-tous