La fusion laser sur lit de poudre est devenue plus attrayante grâce à cette dernière découverte

Quelle technologie dominera l'impression 3D ?

L'impression 3D, également appelée fabrication additive, devenant de plus en plus un élément clé de la fabrication avancée, il est important d'optimiser davantage le processus. En effet, les pièces et les composants imprimés en 3D sont généralement utilisés dans des applications très exigeantes, telles que les moteurs automobiles, les fusées, les équipements militaires, etc. Dans ces circonstances, toute défaillance d'un composant peut déclencher un effet domino catastrophique.

Il s'agit d'un élément crucial pour permettre à l'industrie de progresser. de la consolidation actuelle pour devenir le processus de fabrication dominant par rapport aux méthodes plus anciennes de fusion du métal dans des moules et d'usinage.

Une technique d'impression 3D en particulier est utilisée pour la fabrication de précision : la fusion laser sur lit de poudre.

Des chercheurs de l'université du Wisconsin-Madison et du laboratoire national d'Argonne ont récemment analysé le processus à l'aide d'une imagerie à rayons X avancée et pensent pouvoir réduire considérablement les défauts survenant au cours de la fabrication. Ils ont publié leurs conclusions dans l'International Journal of Machine Tools and Manufacture, sous le titre "Révélation des mécanismes d'atténuation des défauts de traitement dans la fusion laser sur lit de poudre au moyen de faisceaux façonnés par imagerie à rayons X à grande vitesse¹".

Fusion laser sur lit de poudre

L'impression 3D sur lit de poudre consiste à déposer dans un conteneur une couche de poudre contenant le matériau utilisé pour la fabrication additive. Un laser fait ensuite fondre/fusionner la poudre dans la zone qui formera l'objet imprimé en 3D.

Une nouvelle couche de poudre est ensuite déposée sur le dessus, et les parties qui doivent être fondues et ajoutées à l'objet sont à nouveau ciblées par le laser. Avec le temps, il est possible de produire des formes très complexes, ainsi que des objets relativement grands.

Source : ResearchGate

Vous pouvez voir la fusion laser sur lit de poudre en action dans cette vidéo, ainsi que quelques exemples de ce qui peut être réalisé à l'aide de cette technique.

La fusion laser sur lit de poudre peut être utilisée pour produire des articles en plastique, mais surtout en métal, notamment en titane, en acier, en cobalt-chrome, en aluminium, etc.

L'avantage de cette méthode est qu'elle crée une géométrie très précise, avec des tolérances de +/- 0,2 mm, similaire au moulage par injection de métal. Elle gaspille également très peu de matériaux, car la poudre non utilisée peut être récupérée et réutilisée.

Des pièces plus grandes peuvent être imprimées assez rapidement en utilisant plusieurs lasers à la fois, généralement dans des modèles d'imprimantes 3D plus avancés.

Il convient de noter que la fusion laser sur lit de poudre est un terme générique qui recouvre plusieurs sous-techniques différentes :

• Fusion sélective par laser (SLM) et Frittage direct de métaux par laser (DMLS)tous deux des procédés de marque déposée qui utilisent un système laser pour faire fondre entièrement la poudre de métal.
• Fusion par faisceau d'électrons (EBM)Le SLM, similaire au SLM mais utilisant un faisceau d'électrons dans une atmosphère inerte ou une chambre à vide.
• Frittage sélectif par laser (SLS)Le laser ne fait que sintériser les particules et ne fait pas fondre complètement le matériau.

Prévenir les défaillances de l'impression 3D

En théorie, la fabrication additive de pièces métalliques est équivalente aux pièces moulées traditionnelles. Dans la pratique, des problèmes peuvent survenir, tels que des pores ou "vides", des surfaces rugueuses et des éclaboussures importantes.

Ces problèmes structurels peuvent entraîner la rupture des pièces, ce qui n'est pas acceptable dans les applications critiques.

"La compréhension des mécanismes sous-jacents nous a permis d'identifier plus rapidement les conditions de traitement adéquates pour produire des pièces de haute qualité à l'aide du faisceau annulaire".

Lianyi Chen - Professeur associé de génie mécanique à UW-Madison

Faisceau laser en forme d'anneau

La première modification que les chercheurs ont apportée à leur projet d'impression 3D a consisté à remplacer le faisceau laser habituel par un faisceau laser en forme d'anneau, fourni par la société une entreprise de laser appelée nLight, créant lasers à semi-conducteurs.

Source : Revue internationale des machines-outils et de la fabrication

Cette forme différente crée une meilleure circulation du métal fondu dans l'ensemble du bassin de fusion et des vagues plus petites à la surface de l'objet fraîchement créé. Les éclaboussures sont également moins importantes et se déplacent moins loin.

Source : Revue internationale des machines-outils et de la fabrication

Correspondance entre le modèle et les observations

Les chercheurs ont confirmé ces observations en utilisant l'installation de rayons X synchrotron à haute énergie du laboratoire national d'Argonne. Ils l'ont utilisé pour créer des clichés à grande vitesse du processus d'impression 3D, ce qui leur a permis de vérifier si leur modèle mathématique simulait correctement la réalité.

Source : Revue internationale des machines-outils et de la fabrication

Impression 3D plus rapide

Les chercheurs ont également réussi à faire en sorte que le faisceau en forme d'anneau perce plus profondément la poudre sans créer davantage d'instabilité. Cela a permis d'obtenir des couches plus épaisses sans affaiblir le produit fini.

Comme la production nécessite finalement moins de couches, cela accélère la fabrication et augmente la productivité globale de la machine.

Exemple de fusion de lit de poudre

Ce type de travail est loin d'être une simple démonstration académique. Il pourrait améliorer les machines de fusion sur lit de poudre déjà utilisées dans l'industrie. Un bon exemple serait celui de l'aéronautique, avec la tuyère du moteur GE9X de General Electric, qui équipe les avions Boeing 777.

Le GE9X est le plus gros turboréacteur produit, et la tuyère fabriquée de manière additive est cinq fois plus durable que les versions précédentes.

Il convient de noter que ces développements sont encore très récents, la conception du GE9X n'étant approuvée par la FAA qu'en 2020.

Un processus de fusion sur lit de poudre de meilleure qualité et plus rapide permettrait d'améliorer encore la conception tout en réduisant les coûts.

L'avenir de l'impression 3D ?

Vers une domination de l'industrie manufacturière de pointe

Nous avons vu précédemment comment L'impression 3D s'impose comme l'avenir de la fabrication.

C'est le cas dans les industries de pointe comme les implants biomédicaux ou l'aéronautique. La qualité des pièces fabriquées de manière additive ne cessant de s'améliorer, cette méthode deviendra probablement la méthode de fabrication dominante dans ces industries exigeantes.

Il est probable que cela s'applique également aux robotique, fabrication en orbiteou même Impression 3D holographique directement à l'intérieur de notre corps.

Vers plus d'applications

Un autre changement interviendra lorsque l'impression 3D deviendra moins chère.

Cela sera dû en partie à une plus grande utilisation, car la production d'un plus grand nombre d'imprimantes 3D entraînera des économies d'échelle et une diminution des coûts de la machine et des matières premières.

Un autre facteur sera l'amélioration de la technologie. Elle peut optimiser l'utilisation des matières premières (réduction des coûts d'exploitation) ou produire des pièces plus rapidement (réduction des coûts d'investissement).

Il pourrait s'agir de couches plus épaisses avec des lasers en forme d'anneau, comme dans cette étude. Ou peut-être l'utilisation de 2 lasers en même temps. Et même L'électronique imprimée en 3D pour compléter les matériaux et les pièces imprimés en 3D.

Investir dans l'impression 3D

L'impression 3D atteint aujourd'hui une certaine maturité technologique, ainsi qu'une consolidation du marché. Cela donne aux investisseurs un peu plus de visibilité que par le passé et confirme que cette technologie est loin d'être un phénomène de mode et qu'elle est là pour durer.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées à l'impression 3D par l'intermédiaire de nombreux courtiers. Vous trouverez sur ce site nos recommandations pour les meilleurs courtiers en les États-Unis, Canada, Australie, le Royaume-Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n'êtes pas intéressé par la sélection de sociétés d'impression 3D spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) de tirer parti de la croissance du secteur de la fabrication additive dans son ensemble.

Ou consultez nos articles "Les 10 principales actions de fabrication additive et d'impression 3D à surveiller", et "Les 10 meilleures actions dans le domaine des nanotechnologies".

Ring-Shape Laser Company

nLight Inc

Jusqu'à présent, les gagnants de la technologie de l'impression 3D ont surtout été les fabricants d'imprimantes 3D et les utilisateurs finaux. Il est plus difficile d'investir dans les fabricants de pièces individuelles des imprimantes 3D, car la plupart d'entre eux s'appuient sur des composants relativement banalisés tels que les lasers standardisés.

Ce n'est pas le cas de l'innovation dont il est question ici, les lasers en forme d'anneau étant un nouveau développement qui pourrait bien avoir trouvé une application qui tue.

Les chercheurs ont utilisé un laser produit par nLight, plus précisément le laser à fibre à ondes continues AFX1000.

La palette polyvalente de réglages du faisceau permet de traiter tous les métaux sans compromis. En découpe, ces lasers à fibre offrent une qualité d'arête semblable à celle du CO2 pour les métaux épais et les avantages de la vitesse des lasers à fibre pour les métaux minces, le tout avec la fiabilité et le faible coût de possession des lasers à fibre.

Ce laser est capable de modifier la forme de l'anneau afin de réaliser des impressions 3D plus ou moins fines et des géométries complexes.

Source : Solutions Trokut

L'entreprise a vu son chiffre d'affaires augmenter régulièrement entre 2016 et 2021, avant de connaître un déclin dû en grande partie à la baisse des ventes en Chine. Cette situation est probablement liée aux tensions commerciales croissantes entre la Chine et l'Occident, ainsi qu'à la concurrence des producteurs chinois de lasers domestiques.

Avec actuellement 95% de clients en Chine, il est peu probable que cette situation continue d'avoir un impact sur l'entreprise à l'avenir.

Source : nLight

Les résultats mitigés reflètent cette évolution, les ventes industrielles diminuant fortement en 2024, tandis que les segments de la microfabrication et de l'aérospatiale sont en plein essor.

Source : Trokut Solutions

La baisse récente du chiffre d'affaires a fait retomber le cash-flow opérationnel en territoire négatif en 2024. Toutefois, si la tendance à la croissance de l'aérospatiale et de la microfabrication/impression 3D se maintient, portée par la croissance générale de ces secteurs et l'avantage technologique unique de nLight, nLight devrait renouer avec la rentabilité.

Référence de l'étude :

^{1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K. et Chen, L. (2025). Révélation des mécanismes d'atténuation des défauts de traitement dans la fusion laser en lit de poudre via des faisceaux façonnés à l'aide de l'imagerie à rayons X à grande vitesse. Revue internationale des machines-outils et de la fabrication, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232}