La fusion sélective par laser (SLM) est un procédé de fabrication d'objets en acier inoxydable. fabrication additive ou technique d'impression 3D qui utilise un laser pour fusionner une poudre métallique en une pièce solide, couche par couche. Les propriétés de la pièce finale sont déterminées par les caractéristiques de la poudre métallique utilisée. Cet article présente une vue d'ensemble des poudres SLM : composition, propriétés, applications, spécifications, prix, avantages et inconvénients, etc.
Aperçu de la poudre de fusion sélective par laser
La poudre de fusion laser sélective, également appelée poudre SLM, est la matière première utilisée dans le processus de fabrication additive SLM. Ce procédé utilise un laser de forte puissance pour faire fondre et fusionner des alliages métalliques en poudre afin d'obtenir des pièces en 3D denses.
Les poudres SLM sont des poudres métalliques fines dont la taille est généralement comprise entre 15 et 45 microns. Les poudres SLM les plus courantes sont des alliages à base d'aluminium, de titane, de nickel, de cobalt et d'acier inoxydable. La composition et la distribution granulométrique de la poudre déterminent les caractéristiques des pièces imprimées par fusion sélective au laser.
Le choix de la bonne poudre SLM est essentiel pour produire des pièces de haute qualité avec les propriétés mécaniques, la précision, la finition de surface et la microstructure souhaitées. Ce guide fournit des informations détaillées sur les différents types de poudres SLM, leurs applications, leurs spécifications, leur prix, leurs avantages et inconvénients, ainsi que sur les principaux fournisseurs mondiaux.
Principales caractéristiques des poudres SLM
- Poudre ultrafine de 15 à 45 microns pour une fusion laser précise
- Morphologie sphérique pour la fluidité des poudres
- Composition chimiquement pure pour minimiser les défauts
- La distribution contrôlée de la taille des particules empêche la ségrégation
- Méthode de production par atomisation de gaz inerte
- Additions d'alliages pour améliorer les propriétés
- Peut inclure des revêtements exclusifs pour améliorer l'écoulement et la fusion.
Tableau 1 : Types de poudre pour la fusion sélective par laser
| Type de poudre | Alliages courants | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Aluminium | AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg0,6 | Faible densité, bonne conductivité thermique |
| Titane | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl | Haute résistance, biocompatible |
| Nickel | Inconel 718, Inconel 625 | Résistance à la chaleur et à la corrosion |
| Chrome cobalt | CoCr, CoCrMo | Biocompatible, grande dureté |
| Acier à outils | H13, acier maraging | Dureté élevée, résistance à l'usure |
| Acier inoxydable | 316L, 17-4PH, 420 | Résistance à la corrosion, haute résistance |
Composition des poudres SLM
Les poudres SLM sont des poudres métalliques sphériques fabriquées à partir de divers alliages par atomisation de gaz. La composition détermine les propriétés matérielles des pièces imprimées.
Tableau 2 : Composition des alliages de poudres SLM les plus courants
| Alliage | Composition typique |
|---|---|
| AlSi10Mg | 90% Al, 10% Si, 0.5% Mg |
| Ti6Al4V | 90% Ti, 6% Al, 4% V |
| Inconel 718 | 50% Ni, 19% Cr, 18% Fe, 5% Nb |
| CoCrMo | 60% Co, 30% Cr, 7% Mo |
| Acier inoxydable 316L | 70% Fe, 17% Cr, 12% Ni, 2% Mo |
Les principaux éléments d'alliage présents dans les poudres SLM sont les suivants :
- Aluminium - abaisse le point de fusion, augmente la conductivité thermique
- Silicium - Améliore la fluidité et la soudabilité
- Magnésium - Agent renforçant
- Titane - Biocompatible, haute résistance
- Aluminium - Stabilisateur alpha et bêta dans les alliages de titane
- Vanadium - stabilisateur bêta dans les alliages de titane
- Nickel - Résistance à la corrosion, ductilité
- Chrome - Résistance à l'oxydation et à la corrosion
- Fer - Contribue à la résistance des superalliages
- Niobium - Élément de renforcement dans les superalliages
- Molybdène - Renforcement en solution solide dans les superalliages
- Cobalt - Améliore la résistance à haute température
Les impuretés à l'état de traces sont minimisées afin de réduire les défauts des composants imprimés par SLM.
Propriétés des poudres SLM
Les propriétés des poudres SLM influencent directement les caractéristiques des pièces imprimées en 3D. Les propriétés souhaitées sont une bonne fluidité, une grande pureté et une distribution optimisée de la taille des particules.
Tableau 3 : Propriétés principales des poudres SLM
| Propriété | Gamme typique | Importance |
|---|---|---|
| Taille des particules | 15 - 45 microns | Précision des détails, résolution |
| Forme des particules | Sphérique | Améliore la fluidité |
| Capacité d'écoulement | Excellent | Prévient l'agglomération des poudres |
| Densité apparente | Densité théorique supérieure à 50% | Améliore l'absorption du laser, la densification |
| Densité du robinet | Jusqu'à 65% de densité théorique | Indication de la fluidité, de la densité de tassement |
| Oxygène résiduel | <0,1 wt% | Prévient les défauts d'oxydation |
| Azote résiduel | <0,04 wt% | Prévient les inclusions de nitrure |
| Carbone résiduel | <0,03 wt% | Empêche la formation de précipités de carbure |
En outre, les poudres SLM se caractérisent par une distribution optimisée de la taille des particules avec une plage étroite pour éviter les problèmes de ségrégation. La plupart des poudres pour SLM ont des valeurs D10 et D90 comprises entre 10 et 20 microns.
Les caractéristiques des poudres SLM, telles que la densité du lit de poudre, la fluidité, l'étalement et la recyclabilité, déterminent la qualité des pièces imprimées. Les poudres sont conçues pour équilibrer ces facteurs.
Applications des poudres SLM
Les poudres SLM sont utilisées pour imprimer des pièces métalliques fonctionnelles dans toute une série d'industries :
Tableau 4 : Applications des poudres de fusion sélective par laser
| L'industrie | Applications courantes | Matériaux typiques utilisés |
|---|---|---|
| Aérospatiale | Aubes de turbines, tuyères de fusées | Inconel, titane |
| Automobile | Allègement des pièces, géométries personnalisées | Aluminium, acier à outils |
| Médical | Coiffes dentaires, implants, outils chirurgicaux | Titane, chrome cobalt |
| Ingénierie générale | Prototypes rapides, outillage, pièces finales | Acier inoxydable, acier à outils |
Les principaux avantages de la méthode SLM pour la production de pièces sont les suivants :
- Capacité à créer des géométries complexes impossibles à réaliser avec le moulage ou l'usinage
- Pièces personnalisées à la demande sans outillage dur
- Réduction du poids grâce à l'optimisation de la conception en fonction de la fonction
- Consolidation des assemblages en pièces détachées
- Délai d'exécution rapide de la conception à la pièce
La technique SLM est adaptée à la production de volumes faibles à moyens de composants métalliques à usage final dans toutes les industries.
Spécifications des poudres SLM
Les poudres SLM doivent répondre à des spécifications strictes en termes de composition, de distribution granulométrique, de morphologie, de caractéristiques d'écoulement, de densité apparente, de niveaux de contamination et de microstructure.
Tableau 5 : Spécifications typiques pour les poudres de fusion sélective par laser
| Paramètres | Spécification typique | Méthode d'essai |
|---|---|---|
| Composition de la poudre | Dans les limites des spécifications de l'alliage | Analyse chimique ICP-OES |
| Taille des particules | D10 : 10-25 μm <br> D50 : 20-35 μm <br> D90 : 30-45 μm | Diffraction laser |
| Forme des particules | >80% sphérique, satellites minimes | Imagerie SEM |
| Densité apparente | >50% de la densité théorique de l'alliage | Débitmètre à effet Hall |
| Densité du robinet | Jusqu'à 65% de densité théorique | Appareil de mesure de la densité de la prise |
| Capacité d'écoulement | Angle de repos <30 | Débitmètre à effet Hall |
| Oxygène résiduel | <0,1 wt% | Analyse de la fusion des gaz inertes |
| Azote résiduel | <0,04 wt% | Analyse de la fusion des gaz inertes |
| Carbone résiduel | <0,03 wt% | Détection infrarouge de la combustion |
Les principaux fournisseurs de poudres SLM disposent d'installations internes de caractérisation des poudres pour s'assurer que ces paramètres sont respectés pour chaque lot de poudres avant la livraison aux clients.
Prix des poudres de fusion sélective par laser
Le coût des poudres SLM dépend de la composition de l'alliage, de la qualité, du fournisseur, de la quantité achetée et de la région géographique. Voici quelques exemples de prix de poudres typiques :
Tableau 6 : fourchettes de prix indicatives pour les alliages de poudres SLM les plus courants
| Alliage | Prix par kg |
|---|---|
| Alliage d'aluminium AlSi10Mg | $50 – $120 |
| Alliage de titane Ti6Al4V | $350 – $600 |
| Inconel 718 | $150 – $250 |
| Acier inoxydable 316L | $50 – $100 |
| Chrome cobalt | $110 – $250 |
Les prix sont les plus élevés pour les alliages réactifs comme le titane et les plus bas pour les alliages de base comme l'aluminium et l'acier inoxydable. Les qualités aérospatiales coûtent plus cher que les alliages conventionnels. Les fournisseurs de poudres SLM proposent des remises pour les achats en gros.
Globalement, le coût des matériaux représente 15-30% du coût total de la pièce pour l'AM des métaux. La poudre elle-même représente une part importante de ce coût. L'optimisation de la réutilisation de la poudre non fondue permet de réduire le coût moyen des pièces.
Principaux fournisseurs de poudres SLM
De nombreuses entreprises proposent des poudres métalliques atomisées au gaz spécialement conçues pour la fabrication additive SLM. Parmi les principaux fournisseurs mondiaux, on peut citer
Tableau 7 : Principaux fournisseurs de poudres pour la fusion sélective par laser
| Entreprise | Siège | Principaux alliages |
|---|---|---|
| AP&C | Canada | Alliages de Ti, Al, Co |
| Additif pour charpentier | ÉTATS-UNIS | Alliages de Ti, Al, Co, Cu |
| EOS | Allemagne | Alliages de Ti, Al, Ni |
| Sandvik Osprey | ROYAUME-UNI | Ti, Al, Ni, acier inoxydable, acier à outils |
| Solutions SLM | Allemagne | Alliages de Ti, Al, Ni, Co |
| Linde | Allemagne | Ti, Al, acier inoxydable, acier à outils |
| Praxair | ÉTATS-UNIS | Alliages de Ti, Co, Ni |
| Technologie LPW | ROYAUME-UNI | Ti, Al, CoCr, Inconel |
Ces entreprises ont investi dans la technologie d'atomisation et la caractérisation avancée pour s'assurer que les poudres SLM répondent aux exigences strictes de l'impression 3D de pièces de haute qualité. Elles proposent une large gamme de matériaux adaptés à l'impression SLM.
Avantages et inconvénients des poudres SLM
Tableau 8 : Avantages et limites des poudres de fusion sélective par laser
| Pour | Cons |
|---|---|
| Taille très fine pour une haute résolution | Options d'alliage limitées par rapport au moulage/à l'usinage |
| Bonnes caractéristiques d'écoulement | Alliages réactifs comme le Ti sujets à la contamination |
| Morphologie sphérique avec peu de satellites | La sensibilité à l'humidité nécessite une manipulation prudente |
| Pureté chimique pour minimiser les défauts | Les poudres métalliques présentent des risques pour la santé |
| Distribution contrôlée de la taille des particules | Coût plus élevé que les poudres standard |
| Alliages sur mesure conçus pour le SLM | Fournisseurs et disponibilité limités de certains alliages |
| L'atomisation sous gaz inerte évite l'oxydation | La poudre non utilisée doit être réutilisée au lieu d'être éliminée. |
Pour
- La finesse des poudres SLM, de l'ordre de 15 à 45 microns, permet d'imprimer de petites caractéristiques à très haute résolution.
- La forme sphérique des particules et leur bonne fluidité évitent l'agrégation de la poudre et les problèmes d'alimentation pendant l'impression.
- La grande pureté chimique minimise les défauts tels que les inclusions et les vides dans les pièces imprimées.
- La distribution de la taille des particules est optimisée pour éviter la ségrégation et assurer une fusion homogène.
- Des fournisseurs spécialisés conçoivent des alliages sur mesure dont la composition est adaptée aux applications SLM.
- L'atomisation sous gaz inerte évite l'oxydation de la poudre.
Cons
- Il y a moins d'alliages établis pour le SLM que pour les méthodes de fabrication traditionnelles.
- Les alliages réactifs comme le titane nécessitent une manipulation spéciale pour éviter la contamination, ce qui augmente les coûts.
- En tant que poudres fines, les matériaux SLM sont sensibles à l'absorption d'humidité pendant le stockage et la manipulation.
- Les poudres métalliques présentent des risques d'explosion de poussières et des risques pour la santé qui nécessitent des mesures de sécurité.
- Les alliages SLM coûtent beaucoup plus cher que les poudres standard en raison du processus de production spécialisé.
- Certains alliages ont très peu de fournisseurs, ce qui limite la disponibilité et la qualité des matériaux.
- La poudre non fondue ne peut pas être simplement jetée et doit être réutilisée pour des raisons de durabilité et de coût.
Comment choisir la poudre SLM
La sélection de la poudre SLM optimale pour une application nécessite la prise en compte de facteurs tels que
- Fonction partielle - Exigences mécaniques, contraintes, conditions de fonctionnement
- Propriétés de l'alliage - Solidité, dureté, ductilité, résistance à la chaleur
- Besoins en matière de post-traitement - Réponse au traitement thermique, usinabilité
- Facteurs de processus - Densité du lit de poudre, absorption laser, fluidité
- Considérations relatives aux coûts - Prix des matériaux, implications pour l'équipement
La fonction de la pièce guide principalement le choix de l'alliage. Les pièces critiques soumises à de fortes contraintes exigent des poudres capables d'atteindre une densité et des propriétés mécaniques maximales. Les applications de prototypage moins critiques permettent une plus grande flexibilité.
Les facteurs du processus tels que la vitesse d'impression, la précision réalisable et l'état de surface dépendent également de la poudre. L'analyse comparative des matériaux candidats sur des imprimantes réelles permet d'identifier la meilleure adéquation.
Le coût joue un rôle clé. Les alliages plus performants destinés aux applications aérospatiales sont beaucoup plus chers que les nuances conventionnelles. Des alliages uniques peuvent n'être disponibles qu'auprès d'un seul fournisseur.
Une évaluation approfondie des exigences de l'application par rapport aux capacités et aux coûts des matériaux permet de choisir la poudre SLM optimale.
Comment conserver et manipuler la poudre SLM
Une manipulation et un stockage soigneux des poudres SLM sont essentiels pour éviter la dégradation du matériau et garantir des pièces imprimées de haute qualité :
- Conserver les récipients non ouverts dans un endroit frais et sec, à l'abri de la lumière du soleil et de l'humidité. Éviter la chaleur excessive.
- N'ouvrir les conteneurs de poudre que dans une boîte à gants inerte avec des niveaux d'oxygène inférieurs à 10 ppm pour éviter l'oxydation.
- Transférer les poudres dans une boîte à gants en utilisant une mise à la terre appropriée pour éviter l'accumulation d'électricité statique. Porter des gants en nitrile.
- Fermer hermétiquement les récipients pendant le stockage. N'utiliser que les récipients d'origine et non des sacs en plastique.
- Pour les volumes importants, la poudre doit être stockée dans des machines équipées d'un système de gaz inerte intégré.
- Avant d'être réutilisée, la poudre doit être tamisée à l'aide des mailles recommandées afin de briser les agglomérats et d'éliminer les contaminants.
- Utilisez des fours de séchage des poudres et des dégazeurs thermiques sous vide pour abaisser les niveaux d'humidité si nécessaire.
- Lorsque vous jetez de la poudre usagée, mouillez-la avec de l'eau pour éviter les risques de poussières en suspension dans l'air et éliminez-la comme un déchet dangereux.
- Respectez toutes les mesures de sécurité relatives à la manipulation des poudres métalliques fines, y compris les EPI et la prévention des explosions.
Une bonne gestion de la poudre maintient la cohérence entre les tirages et permet de réutiliser jusqu'à 80-90% de poudre non fondue. Cela permet de maximiser le rendement tout en minimisant les coûts des matières premières.
Poudre de fusion laser sélective FAQ
Q : Quelle est la granulométrie typique des poudres SLM ?
R : La plupart des poudres SLM ont une taille comprise entre 15 et 45 microns, la majorité des particules se situant entre 20 et 35 microns. Les poudres plus fines améliorent la résolution, tandis que les poudres plus grosses nuisent aux détails et à la précision.
Q : Comment les poudres SLM sont-elles produites ?
R : Les poudres SLM sont fabriquées par atomisation de gaz inerte où le flux d'alliage fondu est divisé en gouttelettes qui se solidifient en particules sphériques. Cela permet d'éviter l'oxydation de la poudre.
Q : Qu'entend-on par "densité apparente" et "densité volumique" d'une poudre ?
R : La densité apparente est la densité apparente mesurée dans des conditions normales. La densité par tapotement est la densité accrue obtenue après avoir tapoté mécaniquement un échantillon de poudre pour le compacter. Des densités plus élevées améliorent les caractéristiques du lit de poudre.
Q : Pourquoi les caractéristiques d'écoulement sont-elles importantes pour les poudres SLM ?
R : Un bon écoulement et un bon étalement de la poudre garantissent des couches uniformes pour une fonte régulière et évitent les problèmes d'agrégation. Les particules sphériques améliorent l'écoulement par rapport aux formes irrégulières.
Q : Comment les poudres SLM sont-elles réutilisées après l'impression ?
R : La poudre non fondue est tamisée pour briser les agglomérats, séchée sous vide pour réduire l'humidité et mélangée à de la poudre fraîche avant d'être réutilisée. Cela permet d'atteindre des taux de recyclage supérieurs à 80%.
Q : Quelles sont les précautions à prendre lors de la manipulation des poudres SLM ?
R : Les poudres métalliques présentent des risques d'explosion, d'incendie et de santé. Utilisez des EPI appropriés, une ventilation adéquate, une bonne mise à la terre et des boîtes à gants à gaz inerte. Ne jamais verser la poudre à l'air libre.
