Le frittage sélectif par laser (SLS) est une technique de fabrication additive qui utilise un laser pour fusionner de petites particules de poudres de plastique, de métal, de céramique ou de verre en un objet 3D. Poudres métalliques SLS avec les bonnes caractéristiques sont essentielles pour fabriquer des pièces métalliques de haute qualité avec des géométries complexes via ce processus.
Aperçu des poudres métalliques SLS
Les poudres métalliques SLS sont des poudres métalliques optimisées pour être utilisées dans les imprimantes 3D à frittage sélectif par laser afin de produire des pièces et des prototypes en métal. Les poudres métalliques SLS les plus couramment utilisées sont les suivantes :
Types de poudres métalliques SLS
| Type | Composition | Caractéristiques principales |
|---|---|---|
| Acier inoxydable | Alliages de Fe, Cr, Ni | Résistance à la corrosion, haute résistance |
| Acier à outils | Alliages de Fe, Cr, Mo | Dureté élevée, traitement thermique |
| Acier allié | Alliages de Fe, Cr, Ni | Traitée thermiquement, usinable |
| Cobalt-chrome | Alliages de Co, Cr | Biocompatible, résistant à l'usure et à la corrosion |
| Titane et alliages | Alliages de Ti, Al, V | Léger, biocompatible, résistant |
| Inconel | Alliages de Ni, Cr | Résistant à la chaleur et à la corrosion |
| Alliages d'aluminium | Alliages d'Al, Cu, Mg | Léger, solide |
Ces poudres métalliques doivent avoir des propriétés telles que la fluidité, la forme des particules et la distribution des tailles, adaptées à la production de pièces SLS de haute densité avec l'exactitude, la précision et les propriétés mécaniques souhaitées.
Principales propriétés des poudres métalliques SLS
| Paramètres | Description | Exigences |
|---|---|---|
| Gamme de tailles | Dimensions des particules de poudre | 10-45 microns courants |
| Répartition par taille | Gamme de tailles de poudres | Principalement sphérique avec quelques satellites autorisés |
| Morphologie | Forme des particules de poudre | La forme sphérique est optimale, les satellites peuvent causer des défauts. |
| Débit | Fluidité de la poudre | 35-40 s/50g à partir d'un débitmètre à effet Hall |
| Densité apparente | Densité d'empaquetage des poudres | Environ 60% de densité réelle |
| Densité réelle | Densité du matériau | Varie selon la composition |
| Surface | Surface des particules par unité de masse | Il est préférable d'abaisser la température pour réduire l'oxydation |
| Gaz résiduels et humidité | Impuretés présentes dans la poudre | Minimisé pour les pièces de haute qualité |
Caractéristiques des poudres métalliques SLS
| Caractéristique | Rôle dans le processus SLS |
|---|---|
| Forme des particules et texture de la surface | Affecter le flux de poudre dans chaque nouvelle couche, l'absorption du laser, la réflectivité |
| Distribution de la taille des particules | Impacts sur la densité d'empaquetage, la dynamique du bassin de fusion, l'aptitude à l'étalement |
| Caractéristiques du débit | Permet un étalement uniforme, une consistance de la couche |
| Densité apparente | Contrôle l'espacement entre les particules, apport d'énergie nécessaire |
| Densité réelle | Détermination de la densité maximale finale des pièces. |
| Additions d'alliage | Permet d'obtenir des propriétés matérielles spécifiques telles que la résistance, la dureté, etc. |
Applications de Poudres métalliques SLS
La poudre métallique SLS permet d'imprimer des pièces métalliques fonctionnelles de pleine densité pour répondre aux besoins de prototypage, d'outillage et de production à court terme dans des secteurs tels que l'industrie :
Applications industrielles des pièces métalliques imprimées par SLS
| L'industrie | Applications | Matériaux couramment utilisés |
|---|---|---|
| Aérospatiale | Aubes de turbines, composants de moteurs/structures | Aciers inoxydables, superalliages, alliages de titane |
| Automobile | Pièces prototypes, outillage sur mesure | Aciers inoxydables, aciers à outils, alliages d'aluminium |
| Implants médicaux | Implants et guides spécifiques au patient | Chrome cobalt, alliages de titane, acier inoxydable |
| Industriel | Outillage de précision, pinces robotisées | Aciers inoxydables, aciers à outils |
| Bijoux | Bagues, chaînes, pièces sur mesure | Métaux précieux comme les alliages d'or, l'argent |
Certains avantages uniques par rapport aux circuits de fabrication traditionnels :
Avantages de la SLS pour la production de pièces métalliques
| Bénéfice | Description |
|---|---|
| Liberté géométrique | Pas de restrictions sur la géométrie des pièces, contrairement aux méthodes de soustraction et de coulée. |
| Délai d'exécution rapide | Impression rapide à partir de données CAO |
| Poids léger | Les structures en treillis réduisent le poids de >30% |
| Consolidation partielle | Les assemblages imprimés intégralement remplacent les joints |
| Personnalisation de masse | Dispositifs médicaux spécifiques au patient |
| Structures hybrides | Possibilité de pièces multimatériaux en métal et en polymère |
Applications courantes des pièces métalliques imprimées par SLS dans tous les secteurs d'activité :
Applications typiques des pièces métalliques imprimées par SLS
| Application | Exemples | Matériaux utilisés |
|---|---|---|
| Prototypes fonctionnels | Composants de moteurs, implants | Aciers alliés, alliages de Ti |
| Outils | Guides de perçage, montages, gabarits | Aciers inoxydables |
| Outillage de moulage | Outillage pour le moulage par injection | Aciers à outils comme H13 |
| Production en série | Composants aérospatiaux/médicaux | Alliages de Ti et Ni, CoCr |
| Structures légères | Panneaux en treillis, entretoises | Alliages d'aluminium, alliages de titane |
Spécifications de la poudre métallique SLS
Les fabricants de systèmes SLS comme EOS, 3D Systems et Renishaw fournissent des spécifications de poudres métalliques SLS adaptées à leurs modèles d'imprimantes. Les poudres métalliques et les tailles les plus courantes sont les suivantes
Types de poudres métalliques SLS et gammes de tailles
| Matériau | Types de poudres disponibles | Gamme de taille des particules |
|---|---|---|
| Acier inoxydable | 316L, 17-4PH, 303, 410 | 15-45 microns |
| Acier maraging | MS1, 18Ni300, 18Ni350 | 15-45 microns |
| Chrome cobalt | CoCr, CoCrMo | 15-45 microns |
| Alliage d'aluminium | AlSi10Mg, AlSi12 | 15-45 microns |
| Alliage de titane | Ti6Al4V Grade 5 | 15-45 microns |
| Alliage de nickel | Inconel 718, Inconel 625 | 15-45 microns |
Les organismes de normalisation ont défini des classifications pour les différentes qualités de poudres métalliques utilisées dans les processus d'AM :
Grades de poudres métalliques selon les normes ISO/ASTM
| Standard | Notes | Description |
|---|---|---|
| ISO 17296-2 | PA1 à PA6 | Définit des exigences de plus en plus strictes pour les impuretés de P1 à P6 |
| ISO 17296-3 | PM1 à PM4 | Définit les paramètres de forme et de taille des particules de PM1 à PM4 |
| ASTM F3049 | Classe 1 à classe 4 | Définit les limites autorisées pour les plages de composition de 1 à 4 |
| ASTM F3056 | Type 1 à Type 3 | Définit les paramètres de distribution statistique de la taille de 1 à 3 |
Ces systèmes de classement permettent de fixer des niveaux de qualité de référence et d'aider les acheteurs à se procurer des produits. Une poudre de qualité PA5 de haute pureté garantit une contamination minimale. De même, le contrôle chimique plus strict de la classe 4 réduit la variabilité.
Poudre métallique SLS Fournisseurs
Plusieurs fournisseurs proposent des poudres de SLS prêtes à l'emploi dans le monde entier. Les principaux fournisseurs mondiaux sont les suivants
Principaux fournisseurs de poudre métallique SLS
| Fournisseur | Matériaux proposés | Régions desservies |
|---|---|---|
| Sandvik | Acier inoxydable, alliages de nickel, CoCr, acier à outils, alliages d'aluminium | Europe, Asie |
| Praxair | Alliages de Ti, alliages de Ni, aciers inoxydables, aciers à outils | Amérique du Nord |
| Technologie LPW | Acier inoxydable, alliages d'aluminium, CoCr | Royaume-Uni, Europe |
| Additif pour charpentier | Aciers inoxydables, CoCr, Cu, alliages d'aluminium | Mondial |
| Hoganas | Aciers inoxydables, aciers à outils | Europe, Asie |
Les minima d'approvisionnement habituels sont d'environ 10 kg par qualité de matériau, mais il existe également des contrats de gros volumes pour les acheteurs OEM. Les options d'emballage vont des boîtes de conserve scellées sous vide aux cartouches de machines SLS spécialisées contenant de 700 g à 1 kg de poudre chacune.
Types de conditionnement des poudres métalliques SLS
| Type | Plages de volume | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Boîtes sous vide | Lots de 500g à 20kg | Durée de conservation jusqu'à 1 an |
| Cartouches d'imprimante | Lots de 700 à 1000 g | Exposition minimale à la manipulation |
| Tours à matériaux | Cartouches de 700 à 1200 g | Alimentation automatisée de l'imprimante |
Les fourchettes de prix pour les matériaux courants en petites quantités sont les suivantes :
Fourchette de coût des poudres métalliques pour l'impression SLS
| Matériau | Petites quantités Fourchette de prix* |
|---|---|
| Acier inoxydable 316L | $60-$100 par kg |
| Aluminium AlSi10Mg | $80-$130 par kg |
| Acier maraging | $90-$140 par kg |
| Titane Ti6Al4V | $200-$350 par kg |
| Chrome cobalt | $300-$500 par kg |
| Métaux précieux | $3000+ par kg |
Comparaison des matériaux de poudres métalliques SLS
Différents alliages métalliques sont utilisés pour l'impression SLS, chacun ayant ses propres propriétés et avantages :
Comparaison des matériaux des poudres métalliques SLS
| Paramètres | Aciers inoxydables | Aciers à outils | Alliages de titane | Alliages de nickel | Chrome cobalt | Alliages d'aluminium |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Densité | Moyen | Plus élevé | Plus bas | Haut | Haut | Le plus bas |
| La force | Moyen | Le plus élevé | Moyenne-élevée | Moyenne-élevée | Moyen | Moyen |
| Dureté | Plus bas | Très élevé | Moyen | Moyen | Plus élevé | Faible-Moyen |
| Résistance à la corrosion | Excellent | Moyen | Excellent | Excellent | Excellent | Moyen-Bon |
| Bio-compatibilité | Bon | Limitée | Excellent | Limitée | Excellent | Bon |
| Résistance à la chaleur | Moyen | Moyenne-élevée | Moyen | Très élevé | Très élevé | Plus bas |
| Coût | Le plus bas | Moyen | Haut | Très élevé | Haut | Faible |
Nous pouvons constater que les aciers inoxydables offrent les meilleures combinaisons de propriétés lorsque le coût est pris en compte, tandis que les aciers à outils offrent une dureté extrême. Le titane apporte la biocompatibilité et la résistance avec une faible densité. Les superalliages tels que l'Inconel et le CoCr offrent une stabilité thermique et une biocompatibilité. Les alliages d'aluminium constituent l'option légère la plus rentable.
Avantages et inconvénients des poudres métalliques SLS courantes
| Matériau | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|
| Aciers inoxydables | Rentable, facilement usinable | Dureté et résistance moindres |
| Aciers à outils | Extrêmement dur et traitable thermiquement | Faible résistance à la corrosion, biocompatibilité |
| Alliages de titane | Solide, léger, respectueux de l'environnement | Coûteux, peut brûler dans une atmosphère oxygénée |
| Alliages de nickel | Excellente résistance à la chaleur et à la corrosion | Lourd, toxique, très cher |
| Chrome cobalt | Biocompatible, résistant à la corrosion | Lourd, coût moyen |
| Alliages d'aluminium | Léger, bonne résistance | Point de fusion plus bas, dureté plus faible |
Critères de sélection des poudres métalliques SLS par les clients
| Critères de sélection | Questions clés |
|---|---|
| Propriétés mécaniques | Répond-il aux exigences de résistance, de résistance à l'usure et aux autres spécifications mécaniques de l'application visée ? |
| Coût des matériaux | Le type de poudre métallique souhaité correspond-il au budget de l'application ? |
| Post-traitement | Des opérations secondaires telles que le pressage isostatique à chaud ou le traitement thermique sont-elles nécessaires ? |
| Taille de la production | Le volume cible est-il trop élevé pour l'impression SLS de production ? |
| Dimensions de la pièce | Le volume de construction maximal de l'imprimante est-il suffisant pour les géométries de pièces les plus importantes ? |
| Résolution, finition de la surface | Le procédé SLS permet-il de répondre aux exigences en matière de finesse des caractéristiques et de qualité de la surface ? |
| Délai de livraison | Le délai de livraison du fournisseur est-il acceptable compte tenu du calendrier de production ? |
L'application de la pièce finale guide la sélection optimale du matériau en équilibrant les besoins de performance et l'économie.
Aperçu du processus d'impression métallique SLS
Comprendre l'impression 3D SLS permet de comprendre comment les propriétés des poudres affectent la qualité des pièces :
Étapes du processus d'impression 3D SLS
| Stade | Description |
|---|---|
| Modélisation 3D | Le logiciel de CAO crée un modèle solide/maillé de la pièce à imprimer. |
| Trancher | Le modèle est découpé numériquement en couches pour générer un fichier d'impression. |
| Épandage de poudre | Un rouleau ou une lame étale une fine couche de poudre sur la plate-forme de construction. |
| Balayage laser | Le laser CO2 balaye le lit de poudre pour faire fondre les particules ensemble |
| Plate-forme d'abaissement | La plate-forme de construction s'abaisse d'une épaisseur de couche (~50 microns) |
| Répéter l'étalement/la fonte | Les étapes sont répétées jusqu'à ce que l'objet complet soit construit couche par couche. |
| Post-traitement | L'excès de poudre est enlevé, les traitements finaux sont effectués pour terminer la pièce. |
Comment les caractéristiques de la poudre influencent les résultats d'impression
| Propriété des poudres | Influence sur la qualité d'impression |
|---|---|
| Géométrie des poudres | Les particules sphériques avec un bon écoulement permettent d'obtenir des couches uniformes sans défauts. |
| Gamme de taille des particules | Les poudres trop fines ont un mauvais écoulement, les poudres trop grosses créent une mauvaise résolution. |
| Répartition par taille | Une distribution trop large peut entraîner une ségrégation ou une fusion variable. |
| Densité apparente | Une densité plus élevée permet d'obtenir une plus grande densité de la pièce finale après le frittage. |
| Densité réelle | Limite supérieure de la densité de pièces réalisable |
| Texture de la surface | Les particules plus grossières peuvent piéger les gaz ou gêner l'écoulement de la poudre. |
Nous pouvons constater que plusieurs propriétés physiques des poudres ont un impact direct sur les résultats d'impression, d'où l'importance d'un contrôle rigoureux de la part des fournisseurs.
Post-traitement des pièces métalliques imprimées par SLS
Après le processus d'impression SLS, des étapes de finition supplémentaires permettent d'améliorer les propriétés finales de la pièce :
Étapes courantes de post-traitement des pièces SLS
| Processus | Description | Avantages |
|---|---|---|
| Élimination de la poudre | L'excès de poudre est brossé/sablé | Révèle l'objet imprimé |
| Soulagement du stress | Chauffage pour éliminer les contraintes résiduelles | Améliore la précision dimensionnelle |
| Finition de surface | Sablage, polissage, microbillage | Lisse la surface, facilite l'adhérence du revêtement |
| Infiltration | Le liquide remplit la porosité résiduelle | Augmentation de la densité et amélioration de la résistance |
| Traitement thermique | Cycles thermiques de trempe et de revenu | Améliore la dureté des aciers |
Effets du post-traitement sur les propriétés des pièces
| Propriété | Influence du post-traitement |
|---|---|
| Densité | L'infiltration d'époxy ou de bronze remplit les pores et augmente la densité 5-15% |
| Rugosité de la surface | Le polissage manuel/automatisé permet d'obtenir une rugosité inférieure à 2 microns. |
| Précision dimensionnelle | Le cycle thermique de détente réduit le gauchissement et améliore la précision. |
| Résistance à la traction | L'infiltration améliore la résistance à la traction, tandis que le traitement thermique peut doubler la limite d'élasticité. |
| Ductilité | Compromis avec l'amélioration de la force des post-traitements |
| Dureté | Les alliages durcissables par précipitation comme le 17-4PH réagissent bien aux traitements de vieillissement. |
Le post-traitement permet donc d'adapter davantage les propriétés du métal en fonction des besoins de l'application.
Contrôle de la qualité de l'impression SLS sur métal
La qualité constante des poudres utilisées, associée au contrôle du processus SLS, garantit la fiabilité des pièces :
Contrôle de la qualité pour Poudre métallique SLS
| Paramètres | Spécification typique | Méthodes d'essai |
|---|---|---|
| Distribution de la taille des particules | Débit du hall > 35s/50g | Tamisage, diffraction laser |
| Densité apparente | 65-80% de densité réelle | Mesure gravimétrique |
| Composition de la poudre | Gammes d'alliages selon ISO 27296 | Fluorescence des rayons X |
| Morphologie de la surface | Circularité médiane > 0,75 | Micrographies, analyse d'images |
| Contamination | < 50 ppm d'oxygène, < 150 ppm d'azote | Analyse de la fusion des gaz inertes |
Contrôle en cours de fabrication pour l'impression SLS
| Métrique | Capteur utilisé | Objectif |
|---|---|---|
| Puissance du laser | Photodiode intégrée | Maintient la cohérence de la fusion |
| Température du lit de poudre | Capteur IR | Garantit l'intégrité de la pièce, sans déformation |
| Atmosphère | Analyseur d'oxygène | Évite l'inflammation de la poudre dans la chambre de fabrication |
| Épaisseur de la couche | Encodeur de l'axe Z | Couches précises et reproductibles |
Ce contrôle rigoureux des poudres utilisées et des paramètres du processus permet d'obtenir des pièces métalliques de haute qualité à chaque cycle de production.
L'impression métallique SLS comparée à d'autres solutions
Il existe d'autres solutions d'impression 3D de métaux que la SLS :
Comparaison des méthodes d'impression 3D de métaux
| Métrique | Jetting de liant | DMLS | SLM | EBM |
|---|---|---|---|---|
| Matières premières | Poudre de mélange métal/polymère | Poudre métallique | Poudre métallique | Fil métallique/poudre |
| Source d'énergie | Liant liquide | Laser à fibre | Puissant laser à fibre Yb | Faisceau d'électrons |
| Vitesse de construction | Modéré, plus rapide que les méthodes laser | Lenteur due au balayage point par point | Très rapide, la fonte est totale | Méthode la plus rapide |
| Résolution, finition de la surface | Moins bon à cause du liant, le post-traitement facilite les choses | Très bon grâce à la finesse du spot laser | Excellente grâce à la fusion complète | Modérée en raison de la fonte partielle |
| Précision dimensionnelle | +/- 0,3% avec le processus CTQ | +/- 0.1-0.2% | +/- 0.1-0.2% | +/- 0.2-0.3% |
| Post-traitement | Durcissement et frittage nécessaires | Ne prendre en charge que le retrait | Certains travaux d'usinage peuvent être nécessaires | La plupart des travaux secondaires sont nécessaires |
| Coût par pièce | La diminution du coût des matériaux permet de réduire le prix | Coût d'exploitation beaucoup plus élevé | Coût élevé de l'équipement et du matériel | Coût élevé de l'équipement |
Parmi toutes les méthodes, la projection de liant s'est révélée la plus rentable pour la production de pièces métalliques à des volumes inférieurs, jusqu'à 10 000 unités. La SLS offre le post-traitement le plus facile, associé à une bonne précision et à un bon état de surface.
FAQ
Quelles sont les industries qui utilisent l'impression métallique SLS ?
L'impression métallique SLS est utilisée dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine et dans de nombreuses autres industries où des pièces métalliques de précision sont nécessaires.
Quelles sont la précision et la résolution de l'impression métallique SLS ?
La précision et la résolution dépendent de plusieurs facteurs, notamment de la machine, du matériau et des paramètres du processus, mais l'impression SLS sur métal peut atteindre des niveaux de précision élevés.
Un post-traitement est-il nécessaire pour les pièces imprimées en métal par SLS ?
Oui, un post-traitement peut être nécessaire pour éliminer les structures de soutien, améliorer la finition de la surface et répondre aux exigences spécifiques de l'application.
Quelles sont les limites de l'impression métallique SLS ?
Parmi les limitations, citons le coût de l'équipement, la taille limitée des chambres de construction et la nécessité de prendre des mesures de sécurité appropriées en raison de l'utilisation de lasers et de poudres métalliques.
L'impression métallique SLS peut-elle être utilisée pour la production de masse ?
Oui, l'impression métallique SLS peut être utilisée à la fois pour le prototypage et la production de faibles ou moyens volumes de pièces métalliques.
L'impression métallique SLS est-elle respectueuse de l'environnement ?
Si elle permet de réduire les déchets de matériaux par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles, l'élimination des poudres métalliques et la consommation d'énergie sont des facteurs à prendre en compte en ce qui concerne son impact sur l'environnement.
Y a-t-il des précautions à prendre pour travailler avec l'impression métallique SLS ?
Oui, des mesures de sécurité doivent être prises lors de la manipulation des poudres métalliques, et les opérateurs doivent être formés pour travailler en toute sécurité avec des systèmes à base de laser.
Quel est le coût des services d'impression métallique SLS ?
Le coût varie en fonction de facteurs tels que le choix des matériaux, la complexité des pièces et la quantité. Il est préférable de demander des devis à des prestataires de services pour des projets spécifiques.
