Fabrication additive
La Fusion par Lit de Poudre Laser Vient de Devenir Plus Attrayante Grâce à Cette Dernière Percée
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Quelle Technologie Dominera l’Impression 3D ?
Alors que l’impression 3D, également appelée fabrication additive, devient de plus en plus un élément clé de la fabrication avancée, il est important d’optimiser davantage le processus. En effet, les pièces et composants imprimés en 3D sont généralement utilisés dans des applications très exigeantes, comme les moteurs automobiles, les fusées, les équipements militaires, etc. Ainsi, dans ces circonstances, toute défaillance d’un composant peut déclencher un effet domino catastrophique.
Ceci sera crucial pour permettre à l’industrie de passer de la consolidation actuelle à devenir le procédé 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 par lit de poudre laser.
Des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison et du Laboratoire national d’Argonne ont récemment analysé le processus avec une imagerie X avancée et pensent pouvoir réduire de façon spectaculaire les défauts survenant lors de la fabrication. Ils ont publié leurs résultats dans l’International Journal of Machine Tools and Manufacture, sous le titre « Révélation des mécanismes d’atténuation des défauts de traitement dans la fusion par lit de poudre laser via des faisceaux façonnés utilisant l’imagerie X à haute vitesse1 ».
Fusion par Lit de Poudre Laser
Le fonctionnement de l’impression 3D par lit de poudre consiste à déposer une couche de poudre contenant le matériau utilisé pour la fabrication additive dans un récipient. 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 au-dessus, et les parties qui doivent être fondues et ajoutées à l’objet sont de nouveau ciblées par le laser. Répété suffisamment de fois, on peut produire des formes très complexes ainsi que des objets relativement grands.
Source: ResearchGate
Vous pouvez voir la fusion par lit de poudre laser en action dans cette vidéo, ainsi que quelques exemples de ce qui peut être fabriqué avec cette technique.
La fusion par lit de poudre laser peut être utilisée pour produire des objets en plastique, mais surtout en métaux, notamment le titane, l’acier, le cobalt-chrome, l’aluminium, etc.
L’avantage de cette méthode est qu’elle crée une géométrie très précise, avec des tolérances de +/- 0,2 mm, similaire à l’injection de métal. Elle gaspille également très peu de matière, car la poudre non utilisée peut être récupérée et réutilisée.
Des pièces plus grandes peuvent être imprimées rapidement en utilisant plusieurs lasers simultanément, généralement dans des conceptions d’imprimantes 3D plus avancées.
Il convient de noter que la fusion par lit de poudre laser est un terme générique couvrant plusieurs sous-techniques différentes :
- Fusion Sélective par Laser (SLM) et Sinterisation Directe par Laser Métallique (DMLS), deux procédés déposés qui utilisent un système laser pour fondre complètement la poudre métallique.
- Fusion par Faisceau d’Électrons (EBM), similaire au SLM mais utilisant un faisceau d’électrons dans une atmosphère inerte ou une chambre à vide.
- Sinterisation Sélective par Laser (SLS), utilisant des matériaux polymères en poudre, le laser ne fait que souder les particules entre elles sans fondre complètement le matériau.
Prévenir les Défaillances de l’Impression 3D
En théorie, la fabrication additive de pièces métalliques équivaut aux pièces traditionnelles moulées. En pratique, des problèmes peuvent survenir, tels que des pores ou « vacuums », des surfaces rugueuses et de gros éclaboussures.
De tels problèmes structurels peuvent entraîner la rupture des pièces, ce qui est inacceptable dans les applications critiques.
« Parce que nous avons compris les mécanismes sous-jacents, nous avons pu identifier plus rapidement les bonnes conditions de traitement pour produire des pièces de haute qualité en utilisant le faisceau en forme d’anneau. »
Lianyi Chen – Professeur associé en génie mécanique à l’UW-Madison
Faisceau Laser en Forme d’Anneau
Le premier changement apporté par les chercheurs à leur conception d’impression 3D a été de remplacer le faisceau laser habituel par un faisceau laser en forme d’anneau, fourni par une entreprise laser appelée nLight, créant des lasers à semi-conducteurs.
Cette forme différente crée une meilleure circulation du métal fondu dans le bain de fusion global et des vagues plus petites à la surface de l’objet fraîchement créé. Les éclaboussures sont également moins importantes et se propagent moins loin.
Correspondance du Modèle et des Observations
Les chercheurs ont confirmé ces observations en utilisant l’installation synchrotron X à haute énergie du Laboratoire national d’Argonne. Ils l’ont utilisée pour créer des instantanés à grande vitesse du processus d’impression 3D, permettant de vérifier si leur modèle mathématique simulait correctement la réalité.
Impression 3D Plus Rapide
Les chercheurs ont également réussi à faire pénétrer le faisceau en forme d’anneau plus profondément dans la poudre sans créer davantage d’instabilité. Cela a donné 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 par Lit de Poudre
Ce type de travail est loin d’être une simple démonstration académique. Il pourrait améliorer les machines de fusion par lit de poudre déjà utilisées dans l’industrie. Un bon exemple se trouve dans l’aéronautique, avec la buse de carburant du moteur GE9X de General Electric (GE.TO ), utilisé sur les avions Boeing 777.
Le GE9X est le plus grand moteur à turbofan produit, et la buse fabriquée par impression additive est cinq fois plus durable que les versions précédentes.
Il convient de noter que de tels développements sont encore très récents, le design du GE9X n’ayant été approuvé par la FAA qu’en 2020.
Même un processus de fusion par lit de poudre de meilleure qualité, ainsi qu’un plus rapide, pourrait encore améliorer le design tout en réduisant ses coûts.
L’Avenir de l’Impression 3D ?
Vers la Domination de la Fabrication Avancée
Nous avons déjà discuté de la façon dont l’Impression 3D se consolide dans le futur de la fabrication.
Ceci est vrai dans la fabrication avancée comme les implants biomédicaux ou l’aéronautique. À mesure que la qualité des pièces fabriquées par impression additive s’améliore, cela deviendra probablement la méthode de fabrication dominante dans ces industries exigeantes.
Cela s’appliquera probablement également à la robotique, la fabrication en orbite, ou même l’impression 3D holographique directement à l’intérieur de nos corps.
Vers Plus d’Applications
Un autre changement surviendra lorsque l’impression 3D deviendra moins chère.
Cela sera en partie dû à une utilisation accrue, car la production de davantage d’imprimantes 3D créera des économies d’échelle et réduira les coûts des machines et de leurs matières premières.
Un autre facteur sera l’amélioration de la technologie. Elle peut optimiser l’utilisation des matières premières (réduisant les coûts d’exploitation) ou produire des pièces plus rapidement (réduisant les coûts d’investissement).
Cela pourrait inclure des couches plus épaisses avec des lasers en forme d’anneau comme dans cette étude. Ou peut-être utiliser 2 lasers simultanément. Et même des électroniques imprimés en 3D à ajouter aux matériaux et pièces imprimés en 3D.
Investir dans l’Impression 3D
L’impression 3D atteint désormais la maturité technologique, ainsi que la consolidation du marché. Cela offre aux investisseurs une meilleure visibilité qu’auparavant et confirme que cette technologie est loin d’être une mode, mais qu’elle est là pour rester.
Vous pouvez investir dans des sociétés liées à l’impression 3D via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver sur ce site nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.
Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises spécifiques d’impression 3D, vous pouvez également vous tourner vers des ETF comme ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) pour profiter de la croissance du secteur de la fabrication additive dans son ensemble.
Ou consultez nos articles « Top 10 des actions de fabrication additive et d’impression 3D à surveiller », et « Top 10 des actions de nanotechnologie ».
Entreprise de Laser à Forme d’Anneau
LASR Graphique du prix
Jusqu’à présent, les gagnants de la technologie d’impression 3D ont principalement été les fabricants d’imprimantes 3D et les utilisateurs finaux. Les fabricants de pièces individuelles des imprimantes 3D sont plus difficiles à investir, car la plupart dépendent de composants relativement standardisés comme les lasers standardisés.
Ce n’est pas le cas avec l’innovation présentée ici, les lasers en forme d’anneau étant un nouveau développement qui pourrait bien avoir trouvé une application décisive.
Les chercheurs ont utilisé un laser produit par nLight, plus précisément le laser à fibre à onde continue (CW) AFX1000.
La palette polyvalente de réglages du faisceau permet le traitement de tous les métaux sans compromis. En découpe, ces lasers à fibre offrent une qualité de bord comparable à celle du CO₂ pour les métaux épais et les avantages de vitesse des lasers à fibre pour les métaux fins — le tout avec la fiabilité et le faible coût de possession des lasers à fibre.
Ce laser peut modifier la forme de l’anneau afin de réaliser une impression 3D plus ou moins fine et des géométries complexes.
Source: Trokut Solutions
L’entreprise a vu ses revenus croître régulièrement de 2016 à 2021, pour ensuite subir une baisse largement due à la diminution des ventes en Chine. Cela était probablement lié aux tensions commerciales croissantes entre la Chine et l’Occident, ainsi qu’à la concurrence des producteurs de lasers domestiques chinois.
Avec actuellement 95 % des clients hors de Chine, il est peu probable que cela continue d’impacter l’entreprise à l’avenir.
Source: nLight
Les résultats mitigés reflètent ce changement, les ventes industrielles ayant fortement chuté en 2024, tandis que les segments de microfabrication et aérospatial ont explosé.
Source: Trokut Solutions
La récente baisse des ventes a entraîné un retour du flux de trésorerie d’exploitation en territoire négatif en 2024. Cependant, si la tendance de croissance de l’aérospatial et de la microfabrication/impression 3D se poursuit, soutenue par la croissance générale de ces secteurs et l’avantage technologique unique de nLight, nLight devrait retrouver 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., & Chen, L. (2025). Révélation des mécanismes d’atténuation des défauts de traitement dans la fusion par lit de poudre laser via des faisceaux façonnés utilisant l’imagerie X à haute vitesse. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
