Revue technologique : quand vous devez vraiment opter pour l’impression 3D métal

Au travers de 4 cas pratiques, découvrez quand l’impression 3D métal est préférable à l’usinage CNC et quand elle ne l’est pas.
Metal 3D Print

Depuis ses débuts, la fabrication additive métallique a suscité l’engouement aussi bien des ingénieurs que des inconditionnels des nouvelles technologies, en raison principalement de son approche ascendante non conventionnelle et des rumeurs qui l’entourent quant à ses capacités réelles. Mais son usage peut-il réellement s’avérer plus avantageux dans le cas, par exemple, d’une pièce mécanique déjà produite, des années durant, par le biais de la fabrication soustractive ?

Cet article tente d’apporter plus de matière au débat, notamment en pointant du doigt un certain nombre de cas spécifiques où l’impression 3D métal peut s’avérer être un choix judicieux, et d’autres où elle ne l’est pas.

L’impression 3D métal (DMLS) : en quoi ça consiste ?

Les technologies conventionnelles de fabrication industrielle (comme l’usinage CNC) appartiennent en principe au domaine de la fabrication soustractive : la forme finale de la pièce est façonnée par retrait de la matière première. À l’inverse, l’impression 3D métal est une méthode de fabrication additive. L’une des technologies d’impression 3D métal les plus connues et les plus populaires est celle désignée par le sigle DMLS (direct metal laser sintering en anglais)

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Typiquement, à la base du procédé DMLS, le modèle 3D CAD est d’abord divisé en une multitude de couches extrêmement fines, ce qui aboutit de facto à la génération d’un modèle 2D pour chacune de ces couches.

L’imprimante est basée sur un laser optique de haute puissance. L’intérieur de la chambre de construction comporte deux parties : l’une fournit la matière première, l’autre se charge de la fabrication à proprement parler. Des roulements sont utilisés pour renouveler la matière pulvérulente que le laser, en se concentrant en des points précis,  fera entrer en fusion afin de solidifier l’ensemble et de lui donner la forme voulue. La pièce ainsi créée est bâtie progressivement, une couche après l’autre.

Dans quels cas choisir l’impression 3D métal ?

L’impression 3D métal présente un certain nombre d’avantages par rapport à l’usinage traditionnel. Nous avons listé ci-dessous quelques cas précis où son utilisation, au détriment de l’usinage CNC, peut valoir la peine. 

Votre projet est complexe

En matière de complexité et de degré de liberté, il est difficile de battre l’impression 3D métal : beaucoup de pièces complexes ne peuvent tout simplement pas être fabriquées aussi aisément à l’aide des technologies d’usinage conventionnelles.

Un autre avantage que l’on peut mentionner est la capacité de l’impression 3D à écraser les coûts dus à la complexité. Créer des pièces mécaniques complexes via l’usinage traditionnel demande de la précision et des compétences, en particulier quand il s’agit d’assembler des pièces complexes, ce qui se traduit forcément par un accroissement des coûts proportionnel à la complexité de l’ouvrage.

Or ce n’est pas le cas avec l’impression 3D : l’ouvrage est intégralement généré en une seule passe, ce qui dispense de créer chaque composant à part avant de les assembler. Par conséquent, il n’y a plus de surcoûts associés à la complexité.

Vous avez un besoin urgent de prototypes en métal

Dans le cadre du prototypage, si le nombre de pièces dont vous avez besoin est peu élevé (disons environ entre 1 et 5), alors utiliser les technologies de fabrication additive métallique est bien plus avantageux : le prix étant le même pour chaque unité additionnelle, il est tout à fait possible de faire les rectifications nécessaires sur la pièce.

En gros, on utilisera l’impression 3D pour faire un prototype que l’on pourra améliorer itérativement jusqu’à satisfaire à l’ensemble des exigences du produit final. Cette étape est cruciale avant le passage à la production de masse, mais elle peut également s’avérer utile pour le reste du processus de fabrication car elle permet de créer un nombre limité de pièces uniques qui seront plus malléables en fonction de vos besoins.

De plus, la fabrication de pièces métalliques imprimées en 3D peut être plus rapide que leur usinage, même en CNC. En effet, l’usinage CNC demande du temps pour rassembler les matériaux nécessaires, paramétrer les machines, se procurer l’outillage approprié, etc… Tout ça peut prendre des semaines avant que la première pièce ne sorte finalement de la production.

A contrario, l’impression 3D, même DMLS, qui est pourtant à la base un procédé nettement plus complexe que les autres, permet d’imprimer les pièces à la demande et de les expédier dans la foulée, sans aucune latence au démarrage et sans aucun besoin spécifique en outillage, ce qui se traduit par des délais de fabrication bien plus courts. Cette combinaison de la réduction des délais avec un processus de prototypage plus efficace permet de diminuer le temps de réponse global et constitue l’un des plus gros avantages de l’impression 3D métal.

Vous voulez des composants légers mais durables

Les industries médicales et aérospatiales sont naturellement demandeuses de pièces légères mais néanmoins solides et durables. Les superalliages, comme l’Inconel 718, l’AlSi10Mg ou le cobalt-chrome sont connus pour être léger, en comparaison de leurs homologues usinés à l’ancienne, et les pièces fabriquées avec eux seront donc, de fait, plus légères aussi. On peut prendre comme exemple la fameuse buse de carburant imprimée en 3D par GE pour ses moteurs de la famille LEAP : originellement conçue à partir d’une vingtaine de pièces différentes provenant d’autant de fournisseurs indépendants, le passage à l’impression DMLS a permis de la réaliser d’un seul tenant. Il en résulte une pièce 25% plus légère et 5 fois plus résistante que l’originale.

Fuel nozzle
Buse de carburant (Source: GE)

Vous voulez éviter le gâchis de matériau

En termes d’utilisation de ressources, l’impression 3D est bien plus efficace : le seul matériau effectivement utilisé est celui que le laser aura fait fondre (ou celui qui sort de l’extrudeuse, selon les cas), alors que l’usinage CNC laisse derrière lui une quantité non négligeable de copeaux et de chutes qui devront être recyclés. Le fait que les fabricants n’ont pas à satisfaire à des quantités produites minimales pour justifier les coûts de mise en place contribue également à réduire les déchets. 

Inconvénients de l’impression 3D métal

Nonobstant les avantages que l’impression 3D métal offre par rapport aux technologies conventionnelles, il y a tout de même certaines situations où ces dernières seront à privilégier.

Rugosité de l’état de surface

L’impression 3D, en tant que méthode de fabrication additive, n’est pas capable d’offrir un grain de surface aussi lisse que celui des pièces usinées CNC. De plus, ces dernières auront moins de difficultés à satisfaire à un état de surface précédemment spécifié. Par conséquent, si la texture de votre ouvrage est un facteur important, l’usinage CNC devra être considéré en priorité.

À noter, toutefois, que de nombreux traitements administrés en post-usinage sont tout à fait capable de retirer les structures de maintien ou d’améliorer le rendu de surface et l’aspect esthétique de la pièce imprimée. Ces traitements auront par contre tendance à occasionner un surcoût.

Grainy structure of metal 3D printing
Texture rugueuse d’une impression 3D métal

Pièces moins résistantes

De par sa nature de procédé de fabrication additive, les pièces métalliques imprimées en 3D ne seront jamais aussi résistantes que leurs homologues, usinées dans la masse. La résistance définitive dépend de la façon dont l’ouvrage a été conçu, sa taille et le matériau utilisé mais, en général, la résistance en compression sera en moyenne 40% à 50% moindre par rapport à une pièce analogue usinée en CNC.

Production en série onéreuse 

À partir d’un certain point, il devient meilleur marché de produire en masse via l’usinage CNC. La production de masse est encore, à l’heure actuelle, un facteur déterminant, dans tous les pans de l’industrie, et c’est le domaine dans lequel l’impression 3D à le plus de retard. Car il faut bien admettre que la vitesse à laquelle une imprimante 3D peut produire un ouvrage fait toujours pâle figure par rapport à ce dont est capable une chaîne d’assemblage traditionnelle. 

Ouvrage limité en volume

L’usinage CNC constitue toujours une meilleure alternative quand il s’agit de produire des pièces volumineuses. À titre d’exemple, le volume maximal que l’on peut imprimer en DMLS est de 250 x 250 x 325 mm. Pour l’usinage CNC, on peut monter jusqu’à 2000 x 800 x 1000 mm. Pour la fabrication des gros ouvrages, on voit qu’il est difficile pour l’impression 3D de soutenir la comparaison, une limitation surtout due à la taille des plateformes de construction des imprimantes. 

Choix de matériaux limité

Les options de fabrication conventionnelles, telles que le moulage par injection et l’usinage CNC, sont capables d’offrir une large sélection de matériaux. Dans le cas de l’impression 3D métal, le choix est bien moindre, ce qui peut constituer un facteur limitant, surtout quand il faut prendre en considération les propriétés techniques désirées de l’ouvrage ou si un matériau spécifique est requis dans le cas d’une pièce précise. Au jour d’aujourd’hui, Xometry propose 5 poudres métalliques (ou d’alliages métalliques) compatibles avec la technologie DMLS. Si votre ouvrage requiert un autre matériau, il vous faudra vous rabattre d’autres procédés d’usinage, plus conventionnels.

En résumé

Il est inexact d’affirmer que l’impression 3D métal est en voie de supplanter les technologies conventionnelles de fabrication industrielle, comme l’usinage CNC. En effet, l’une comme l’autre possède chacune ses propres avantages (qui peuvent la rendre indispensable dans certains cas) et inconvénients (qui nous feront préférer une autre alternative). Le tableau ci-dessous présente une brève synthèse des points forts de ces deux technologies :

Impression 3D métal Usinage CNC
Temps de réponse plus rapide Production de masse
Prototypage et production à faibles volumes État de surface plus facilement contrôlable
Facilité à réaliser des ouvrages complexes Possibilité d’utiliser plus de matériaux que l’impression 3D et donc de s’adapter plus facilement aux exigences en matières de propriétés techniques
Moins de déchets Ouvrages volumineux
Adaptable facile à personnaliser Pièces résistantes

Si vous avez des ouvrages à faire réaliser, n’hésitez pas à demander des devis à la fois pour nos procédés d’usinage CNC et d’impression 3D DMLS sur notre plateforme de devis instantané, afin de comparer les coûts et les délais.

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