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RÉSUMÉ
La projection de liant sur lit de poudre métallique, également appelée Metal Binder Jetting (MBJ), est un procédé de fabrication additive (FA). La mise en forme de pièces métalliques en MBJ est comparable aux technologies d’impression par jet d’encre sur papier. Il vise des cadences de production supérieures aux autres procédés de FA, associées à des niveaux de détails complexes et très fins. La pièce imprimée est frittée afin d’atteindre ses dimensions et propriétés mécaniques finales. Cet article a pour but de présenter les spécificités de l’ensemble des étapes liées à la mise en forme et la consolidation, en termes de conception, paramétrie, flux de production et post-traitements.
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Corentin CARRÉE : Ingénieur R&D, CETIM, France
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Camille COLIN : Ingénieur R&D, CETIM, France
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Maxime ROBERT : Ingénieur R&D, CETIM, France
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Corentin ROUSSELLE : Ingénieur R&D, CETIM, France
INTRODUCTION
La norme NF EN ISO/ASTM 52900 définit la fabrication additive comme l’ensemble des procédés consistant à assembler des matériaux pour fabriquer des pièces à partir de données de modèles 3D, en général couche après couche, à l’inverse des méthodes de fabrication soustractive.
Les procédés de fabrication additive métallique peuvent être séparés en deux grandes classes définies par le mode de consolidation de la pièce imprimée :
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procédés directs : une étape de mise en forme (ex. : fusion sur lit de poudre – PBF, dépôt de matière sous flux d’énergie concentrée – DED). Ces technologies ont généralement un niveau de maturité permettant une appréhension totale de la chaîne de valeur ;
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procédés indirects : plusieurs étapes d’obtention ; généralement mise en forme puis consolidation (ex. : impression 3D sable + fonderie, Metal Binder Jetting/Stéréolithographie métallique/dépôt fil chargé/projection de matière + frittage). Les technologies s’appuyant sur des mélanges « métal + liant » sont encore considérées comme étant en développement. Le Metal Binder Jetting, procédé indirect le plus mature, offre de potentiels gains en qualité et productivité significatifs par rapport à ses prédécesseurs.
L’évolution des procédés de fabrication additive entraîne naturellement l’apparition de nouvelles solutions de fabrication. Celles-ci permettent de lever des verrous technologiques comme l’augmentation de la productivité, l’amélioration de la qualité des états de surface, ou encore la réduction des contraintes géométriques de fabrication, notamment celles liées aux angles limites de fabrication pour les procédés basés sur la fusion de la matière. Les nouvelles technologies de fabrication additive basées sur le frittage permettent avantageusement la mise en œuvre de nouveaux matériaux (matériaux sensibles à la fissuration à chaud, matériaux métalliques renforcés par des particules céramiques, etc.).
Cet article porte sur la technologie de projection de liant sur lit de poudre (MBJ – Metal Binder Jetting). Il dresse une image complète de la chaîne de valeur, depuis la poudre jusqu’aux post-traitements, en passant par la conception et la fabrication, nécessaires pour assurer un bon niveau de qualité.
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2. Principes technologiques
2.1 Processus de fabrication : principe général
2.1.1 Procédé indirect, une analogie avec le Metal Injection Molding (MIM)
Le process global de fabrication par MBJ présente une forte analogie avec le procédé de moulage par injection de poudres métalliques (MIM) qui est largement diffusé dans le monde industriel. Dans le cas du MIM, la pièce à vert est obtenue par injection du mélange poudre-liant (feedstock) dans une cavité d’outillage, alors que pour le procédé MBJ, celle-ci est obtenue par impression sur lit de poudre (voir section 2.1.2). Ensuite, le processus de consolidation par frittage du composant, après déliantage, est identique à celui du MIM (figure 4). Une différence majeure entre ces deux procédés concerne la concentration en liant organique utilisée pour fabriquer la pièce à vert : elle est de 11 à 13 poids % pour le MIM contre 1 à 1,5 poids % pour le MBJ. Les modes de déliantage appliqués diffèrent également entre ces deux procédés.
HAUT DE PAGE2.1.2 Procédé Metal Binder Jetting
La figure 5 montre que la production de pièces par MBJ se décompose en six étapes.
La première étape est l’impression (figure 6) : une couche de poudre d’épaisseur contrôlée est déposée sur le plateau de fabrication. Un liant est ensuite projeté sélectivement par une ou plusieurs têtes d’impression pour agglomérer la poudre dans chaque section des pièces à fabriquer. Ces deux opérations sont répétées de manière itérative pour fabriquer l’ensemble des pièces disposées dans tout le volume de fabrication. Une fois l’impression terminée, la boîte...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BARLIER (C.), BERNARD (A.) - Fabrication additive. Du prototypage rapide à l’impression 3D. - 2e édition, p. 9 (2020).
-
(2) - VERQUIN (B.), CHARRON (C.), REYNAUD (C.) - Fabrication additive métallique – Les fondamentaux. - P. 43-45, ISBN 978-2-36894-160-7 (2019).
-
(3) - LI (R.), SHI (Y.), WANG (Z.), WANG (L.), LIU (J.), JIANG (W.) - Densification behavior of gas and water atomized 316L stainless steel powder during selective laser melting. - Appl. Surf. Sci. 256(13), p. 4350-4356 (2010).
-
(4) - KIPPHAN (H.) - Handbook of print media – Technologies and production methods. - P. 64, ISBN 978-3-54067-326-2 (2001).
-
(5) - BARTHEL (B.) - DDMC Congress. - IFAM (2020).
-
(6) - PEREZ (J.D.) - * - 42CrMo4...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Sécurité en fabrication additive – Expositions particulaires dont NOAA.
-
Frittage : aspects physico-chimiques – Partie 1 : frittage en phase solide.
-
Frittage : aspects physico-chimiques – Partie 2 : frittage en phase liquide.
-
Apport de la fabrication additive à l’intensification des procédés.
-
Sécurité en fabrication additive – Procédés hors matériaux pulvérulents.
NORMES
-
Fabrication additive – Principes généraux – Fondamentaux et vocabulaire. - NF EN 52900 ISO/ASTM - 2021
-
Fabrication additive – Conception – Partie 1 : fusion laser sur lit de poudre métallique. - NF EN 52911-1 ISO/ASTM - 2019
-
Standard Specification for Metal Injection Molded (MIM) Materials. - ASTM B883-19 - 2019
-
Additive manufacturing of metallic parts. - DNV-ST-B203 - 2022
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Constructeurs de machines de Metal Binder Jetting
ADDIMETAL :
AFS :
CONCR3DE :
DESKTOP METAL :
EXONE :
https://www.desktopmetal.com/products/xseries
HP :
https://www.hp.com/fr-fr/printers/3d-printers/products/metal-jet.html
MARKFORGED :
RICOH :
https://3d.ricoh.com/technologies/metal-binder-jetting-bjt/
SINTERJET :
Fournisseur de logiciels
MATERIALISE :
https://www.materialise.com/fr
NETFABB :
https://www.autodesk.fr/products/netfabb/
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