Qu'est-ce que le métal en poudre pour la fabrication additive？ ?

Dans la révolution manufacturière d'aujourd'hui, la Poudres métalliques pour la fabrication additive est devenu un moteur essentiel du progrès technologique. De l'aérospatiale aux dispositifs médicaux en passant par les composants industriels à haute performance, les poudres métalliques ne sont pas seulement des matériaux, mais aussi une source d'innovation. Par rapport aux méthodes de traitement traditionnelles, la poudre métallique combinée à la technologie de fabrication additive nous apporte une liberté de conception, une utilisation des matériaux et une contrôlabilité des performances sans précédent. Cet article vous donnera un aperçu de ce que sont les poudres métalliques, de la manière dont elles sont fabriquées et du rôle central qu'elles jouent dans la fabrication additive - du principe à l'application, du matériau à l'avenir.

Qu'est-ce que le métal en poudre ?

On parle souvent de "poudre métallique", ou plus précisément de "poudre de métal", qui désigne en fait les matériaux composés de particules métalliques extrêmement petites. Ces particules peuvent avoir une taille de l'ordre du micron et sont presque indiscernables à l'œil nu. Imaginez que vous réduisiez un morceau de métal dur en une poudre plus fine que du sable, et c'est probablement ce que cela signifie. C'est la pierre angulaire du processus de métallurgie des poudres et une matière première essentielle pour la fabrication additive dont nous parlons aujourd'hui.

Par rapport aux procédés traditionnels de moulage et de forgeage, la métallurgie des poudres présente des avantages uniques. Par exemple, elle peut produire des pièces aux formes extrêmement complexes et aux exigences de précision élevées, et le taux d'utilisation des matériaux est très élevé, ce qui réduit considérablement les déchets. Il s'agit sans aucun doute d'une amélioration considérable en matière de maîtrise des coûts et de développement durable.

Composition et classification des poudres métalliques

Il existe de nombreux types de poudres métalliques, que l'on peut simplement diviser en plusieurs catégories :

• Poudre de métal purLa poudre de fer : ce type de poudre est principalement composé d'un seul métal pur, comme la poudre de fer, la poudre de cuivre, la poudre d'aluminium et ainsi de suite. Elles conservent toutes les caractéristiques inhérentes aux métaux purs et conviennent aux applications qui requièrent des propriétés spécifiques à un seul métal.
• Alliage de poudre: La poudre d'alliage est obtenue en mélangeant ou en fusionnant deux ou plusieurs éléments métalliques dans un rapport spécifique. En sélectionnant habilement différents éléments métalliques et leurs proportions, nous pouvons préparer des poudres d'alliage dotées de diverses propriétés excellentes, telles qu'une grande solidité, une résistance à la corrosion, une résistance aux températures élevées, etc. On peut dire que les poudres d'alliage ont ouvert la voie à la personnalisation des propriétés des matériaux.
  • Poudres pré-alliées contre poudres mélangées: Parmi les poudres alliées, on distingue également les poudres pré-alliées et les poudres mixtes. Les poudres pré-alliées sont préparées en fusionnant divers éléments pour former un alliage, puis en les transformant en poudre, tandis que les poudres mixtes sont fabriquées en mélangeant différentes poudres de métaux purs en proportion. Dans les applications pratiques, les propriétés des poudres pré-alliées sont généralement plus stables et plus uniformes.

Pourquoi la poudre métallique est-elle si importante ?

Certaines personnes peuvent se demander pourquoi le métal en poudre est utilisé. Nous allons partir de son point de vue unique. La raison principale pour laquelle la poudre de métal joue un rôle indispensable dans la fabrication additive réside dans ses propriétés physiques et chimiques uniques :

1. Surface spécifique élevée: Plus la particule est petite, plus la surface totale est grande. Cela facilite la diffusion et la combinaison de la poudre métallique au cours du processus de frittage pour former une pièce dense.
2. Liberté de forme: C'est l'un des principaux avantages de la fabrication additive. En contrôlant précisément l'accumulation et la fusion de la poudre, nous pouvons "imprimer" n'importe quelle structure complexe, ce qui est hors de portée des processus de fabrication traditionnels.
3. Diversité des matériaux: Qu'il s'agisse d'un métal pur ou d'une variété d'alliages à haute performance, il peut être appliqué à la fabrication additive sous forme de poudre, ce qui élargit considérablement la gamme de matériaux disponibles.
4. Contrôlabilité des performances: En ajustant la taille des particules, la morphologie, la composition de la poudre et les paramètres de traitement ultérieurs, nous pouvons contrôler avec précision la microstructure et les propriétés macroscopiques de la pièce finale.

À mon avis, la poudre métallique n'est pas seulement une matière première, c'est aussi un pont entre la conception et la mise en œuvre, et les ailes de la technologie de fabrication additive pour décoller. Sans ces fines particules de métal, ce que nous voyons aujourd'hui

La production de poudres métalliques de haute qualité

Principale méthode de préparation des poudres métalliques

La fabrication de poudres métalliques de haute qualité, en particulier celles qui conviennent à la fabrication additive, n'est pas une tâche simple. Il existe plusieurs méthodes courantes sur le marché, chacune ayant ses propres principes et scénarios d'application.

• Atomisation: Il ne fait aucun doute que l'atomisation est la méthode optimale pour la fabrication additive de poudres métalliques. L'idée de base est simple : transformer le métal en fusion en minuscules gouttelettes, puis les laisser se solidifier en poudre pendant le processus de refroidissement.
  • Atomisation du gaz: À mon avis, il s'agit actuellement de la méthode la plus aboutie et la plus largement utilisée. Le principe est le suivant : un gaz inerte à haute pression (tel que l'argon ou l'azote) est utilisé pour percuter le flux de métal en fusion à grande vitesse afin de disperser le métal en très petites gouttelettes. Ces gouttelettes se refroidissent rapidement et se solidifient dans le gaz, formant finalement une poudre avec une très bonne sphéricité. Les avantages de la poudre atomisée sont évidents : la sphéricité est bonne, ce qui signifie que la poudre a une excellente fluidité et qu'une couche de poudre uniforme et dense peut être formée lorsque la poudre est étalée ; la pureté est élevée et l'atmosphère inerte évite efficacement l'introduction d'impuretés telles que l'oxydation. D'après mes nombreuses années d'expérience, qu'il s'agisse de SLM (Selective Laser Melting) ou d'EBM (Electron Beam Melting), la poudre atomisée au gaz est le premier choix. Sa stabilité et sa contrôlabilité sont essentielles pour garantir la qualité de l'impression.
  • Atomisation de l'eau: Contrairement à l'atomisation au gaz, l'atomisation à l'eau utilise un courant d'eau à haute pression pour briser le métal en fusion. Cette méthode permet généralement d'obtenir des poudres de forme irrégulière. Bien qu'elle ne soit pas aussi fluide qu'une poudre sphérique, elle est relativement peu coûteuse à produire et présente encore un intérêt dans certaines applications telles que la projection de liant (Binder Jetting) qui nécessitent une surface spécifique élevée ou une forme spécifique. Cependant, pour notre procédé SLM/EBM classique, la poudre atomisée à l'eau n'est pas suffisante.
• Méthode d'électrolyse: Cette méthode consiste principalement à déposer des métaux par électrolyse de solutions contenant des sels métalliques. Elle peut produire une poudre de haute pureté, mais la forme de la poudre est généralement irrégulière et la taille des particules est grossière. À mon avis, bien que l'électrolyse ait sa place dans le domaine de la métallurgie des poudres traditionnelle, son application dans la fabrication additive est relativement limitée, et il s'agit davantage d'un complément à la préparation de certaines poudres d'alliages spéciaux.
• Méthode de réduction: La méthode de réduction consiste principalement à réduire l'oxyde métallique en poudre métallique à l'aide d'un agent réducteur (tel que l'hydrogène, le carbone) à haute température. La poudre produite par cette méthode est généralement spongieuse ou irrégulière, avec une grande porosité et une distribution granulométrique relativement large. Dans la fabrication additive, la poudre réduite n'est pas le courant dominant, car il est difficile de répondre à nos exigences strictes en matière de morphologie et de fluidité de la poudre.

Effet des propriétés des poudres sur la fabrication additive

La qualité de la poudre détermine la limite supérieure de la pièce imprimée.

• Morphologie des particules: Le poudre sphérique possède une excellente fluidité, ce qui permet d'assurer la formation d'une couche de poudre uniforme et dense pendant le processus d'étalement de la poudre, réduisant ainsi les vides et les défauts. Ceci est directement lié à la densité et aux propriétés mécaniques des pièces imprimées. Une poudre irrégulière réduira considérablement la fluidité, ce qui entraînera un étalement irrégulier de la poudre et pourra même bloquer le système d'alimentation en poudre, ce que nous essayons d'éviter. La densité apparente de la poudre est également étroitement liée à la morphologie. Une densité apparente plus élevée signifie qu'une plus grande quantité de métal peut être logée dans le même volume, ce qui a un effet positif sur l'amélioration de l'efficacité de l'impression et de la densité des pièces.
• Distribution de la taille des particules: La distribution de la taille des particules affecte l'épaisseur de la couche pendant l'impression et la finition de la surface de la pièce finale. Une poudre trop grossière peut limiter l'épaisseur minimale de la couche que nous pouvons imprimer et affecter l'expressivité des détails. Une poudre trop fine, bien que propice à la finition de la surface, mais une poudre trop fine dans le faisceau laser ou électronique sous l'action d'une projection facile, affecte la stabilité du formage. Par conséquent, un Taille des particules optimisée et étroite est notre état idéal, qui peut prendre en compte l'uniformité de l'étalement de la poudre, la stabilité de l'impression et la qualité de la surface de la pièce.
• Composition chimique et puretéLa composition chimique de la poudre : on ne saurait trop insister sur ce point. La composition chimique de la poudre détermine directement les propriétés du matériau de la pièce finale, telles que la solidité, la dureté, la résistance à la corrosion, etc. Tout écart mineur dans la composition peut entraîner des performances inférieures à la norme. Haute pureté est l'indice de dureté de la fabrication additive, les éléments d'impureté, en particulier les inclusions non métalliques, deviendront le point de concentration des contraintes à l'intérieur de la pièce, provoquant des fissures et affectant gravement la durée de vie en fatigue. C'est le lien que je rencontre le plus souvent dans le projet et qui doit être strictement contrôlé.
• Contrôle de la teneur en oxygèneLe rapport de la Commission européenne sur l'état de l'environnement et de la santé : en particulier pour ce qui est de la teneur en oxygène. A mon avis, contrôle de la teneur en oxygène est l'une des caractéristiques les plus critiques des poudres métalliques utilisées dans la fabrication additive. La poudre métallique peut être oxydée au contact de l'air pendant la production, le transport, le stockage et même l'impression. Une teneur excessive en oxygène réduira non seulement la fluidité de la poudre, mais formera également des inclusions d'oxyde pendant le processus d'impression, ce qui affaiblira sérieusement les propriétés mécaniques des pièces, en particulier la plasticité et la ténacité. Pour certains métaux actifs tels que les alliages de titane, il est nécessaire de contrôler la teneur en oxygène à un niveau très bas. Par conséquent, la surveillance et la protection de la teneur en oxygène, de la production à l'utilisation, sont la clé du succès de la fabrication additive.

Le rôle des poudres métalliques spécifiques dans la fabrication additive

Dans le monde de la fabrication additive, la poudre métallique est sans aucun doute le principal "matériau de construction". Nous avons l'habitude de parler de "poudre d'acier" ou de "poudre d'acier", mais cela recouvre en fait de nombreux types différents, chacun ayant ses propres propriétés et applications.

Parlons-en poudre d'acier inoxydable premièrement. C'est l'une des poudres les plus utilisées à mon avis. A titre d'exemple, Poudre d'acier inoxydable 316L a une très bonne résistance à la corrosion, une grande précision des pièces imprimées et une bonne finition de surface. Par conséquent, dans le domaine aérospatial, certaines pièces structurelles nécessitant une résistance à la corrosion, et dans les dispositifs médicaux, tels que les instruments chirurgicaux ou certains implants, le 316L a donné de bons résultats. Un autre matériau couramment utilisé est le Poudre d'acier inoxydable 17-4PH, qui peut atteindre une résistance et une dureté élevées après traitement thermique, tout en conservant un certain degré de résistance à la corrosion, de sorte que nous l'utilisons souvent dans certains composants de haute performance.

Il est suivi par poudre d'acier à outils. Lorsque vous devez fabriquer un moule ou des pièces d'usure, la poudre d'acier à outils est particulièrement importante. La dureté élevée et l'excellente résistance à l'usure de ce type de pièces imprimées en poudre sont difficilement égalables par le processus de fabrication traditionnel. Imaginez à quel point il était difficile dans le passé de former un moule d'injection avec une structure complexe grâce à la fabrication additive. Il y a aussi poudre d'acier à haute vitesse. Bien qu'il ne soit pas aussi largement utilisé que l'acier inoxydable, il occupe toujours une place dans la fabrication des outils de coupe. Il permet à l'outil de conserver sa dureté et son tranchant lors de la coupe à grande vitesse et d'améliorer l'efficacité du traitement.

En outre, il existe bien entendu d'autres poudres métalliques essentielles qui jouent un rôle irremplaçable dans leurs domaines respectifs :

• Poudre d'alliage de titane: S'il existe un matériau capable de combiner parfaitement biocompatibilité, haute résistance et légèreté, c'est bien l'alliage de titane. Dans les implants médicaux, tels que les implants orthopédiques, les implants dentaires, la poudre d'alliage de titane est le premier choix. Parallèlement, dans le domaine de l'aérospatiale, ses caractéristiques de légèreté sont essentielles pour réduire le poids de l'avion et améliorer ses performances.
• Poudre de superalliage à base de nickel: Il s'agit d'un matériau spécialement conçu pour les environnements à très hautes températures. Dans les composants des turbines à gaz, tels que les aubes de turbine et les composants des chambres de combustion, les pièces imprimées en poudre de superalliage à base de nickel peuvent résister à des températures et des contraintes extrêmement élevées tout en conservant une excellente résistance à la corrosion. Ceci est très important pour améliorer l'efficacité et la durée de vie des moteurs.
• Poudre d'alliage d'aluminiumLe poids léger est l'éternelle quête de l'industrie moderne, et la poudre d'alliage d'aluminium est sans aucun doute un atout important sur cette voie. Dans les secteurs de l'automobile et de l'aérospatiale, la poudre d'alliage d'aluminium offre une grande liberté de conception pour les pièces structurelles soumises à des exigences élevées en matière de légèreté.

Pour l'avenir, l'orientation du développement des poudres métalliques pour la fabrication additive est de plus en plus diversifiée. Nous avons vu l'application de poudres compositesqui combinent les avantages de deux ou plusieurs matériaux pour créer des matériaux aux performances supérieures. En outre, les poudre de matériau à gradient fonctionnel a également la possibilité de conférer à différentes zones de la pièce des propriétés matérielles différentes, afin d'obtenir des fonctions plus complexes et optimisées.

Avantages de la métallurgie des poudres à l'ère de la fabrication additive

L'essor de la fabrication additive a sans aucun doute apporté une nouvelle vitalité à la technologie traditionnelle de la métallurgie des poudres. Lorsque nous parlons de fabrication additive, nous parlons en fait souvent du vaste champ d'application de la métallurgie des poudres. La combinaison des deux présente des avantages subversifs :

Précision et complexité :

C'est l'une des caractéristiques les plus frappantes de la fabrication additive, dont le moteur principal est la poudre métallique. Les procédés de fabrication traditionnels, tels que le moulage, le forgeage ou l'usinage, sont souvent inadéquats, voire impossibles, pour fabriquer des pièces présentant des structures internes complexes, des géométries bioniques ou des microcanaux. Mais avec la fabrication additive, nous pouvons imprimer avec précision chaque pixel d'un modèle 3D.

Imaginez des pièces structurelles qui exigent légèreté et haute performance dans le domaine aérospatial, ou des implants qui doivent s'adapter parfaitement au corps humain dans le domaine médical. Leur liberté de conception est infiniment amplifiée par la combinaison de la métallurgie des poudres et de la fabrication additive. Je me souviens qu'une fois, nous avons réussi à imprimer une pale de turbine avec des canaux de refroidissement complexes à l'intérieur, ce qui était presque impossible dans le passé.

Utilisation élevée des matériaux :

La fabrication soustractive traditionnelle génère une grande quantité de copeaux et de déchets, en particulier lors de la transformation de matériaux coûteux ou difficiles à traiter, et les coûts des matériaux peuvent augmenter considérablement. La fabrication additive, quant à elle, consiste à ajouter de la matière et son principe de base est de faire fondre ou fritter de la poudre à la demande, ce qui permet de réduire considérablement les déchets de matière.

Les poudres métalliques inutilisées peuvent généralement être recyclées, ce qui permet non seulement de réduire les coûts de production, mais aussi de répondre à l'objectif mondial actuel de développement durable. L'avantage d'une utilisation élevée des matériaux est encore plus prononcé pour les matériaux qui sont intrinsèquement coûteux, tels que les superalliages à base de nickel ou les alliages de titane.

Optimisation des performances :

 En contrôlant précisément la composition de la poudre métallique, la distribution de la taille des particules et les paramètres du processus pendant la fabrication additive (tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l'épaisseur de la couche), nous sommes en mesure d'obtenir des propriétés uniques qu'il est difficile d'obtenir avec les méthodes conventionnelles. Par exemple, la structure du grain d'une pièce fabriquée par fabrication additive peut être finement contrôlée, et parfois même une structure unique hors équilibre peut être formée, ce qui confère au matériau une plus grande solidité, une plus grande ténacité ou une plus grande résistance à la corrosion.

 Un exemple courant est l'isotropie. Les pièces conventionnelles forgées ou laminées ont tendance à présenter une anisotropie distincte, c'est-à-dire des propriétés mécaniques différentes selon les directions. La fabrication additive, en empilant couche par couche, peut réduire efficacement cette anisotropie, voire l'éliminer si le processus est correctement contrôlé, de sorte que les pièces présentent des performances uniformes et excellentes dans toutes les directions. Cette uniformité est essentielle pour les composants critiques fonctionnant dans des environnements de contraintes complexes.

Le rapport coût-efficacité :

En matière de coût, on pense souvent à tort que la fabrication additive doit être chère. En effet, le coût par pièce peut être plus élevé que celui des pièces traditionnelles produites en série. Cependant, la métallurgie des poudres combinée à la fabrication additive a démontré une rentabilité inégalée dans les scénarios où de petits lots, la personnalisation ou la production de pièces très complexes sont nécessaires.

Tout d'abord, il élimine le besoin de fabrication traditionnelle d'un grand nombre de moules et d'investissements en fixations, ce qui raccourcit le cycle de développement du produit. Deuxièmement, grâce à sa grande liberté de conception, plusieurs fonctions peuvent être intégrées dans une seule pièce, ce qui réduit les liens d'assemblage et le coût total. La fabrication additive est sans aucun doute le meilleur choix pour les pièces dont le cycle de vie est court, le remplacement rapide, ou les prototypes qui nécessitent une optimisation itérative rapide.

Développement de nouveaux matériaux :

La métallurgie des poudres offre une plateforme large et efficace pour le développement de nouveaux matériaux d'alliage. Nous pouvons préparer des poudres d'alliage avec une composition et une microstructure spéciales en mélangeant des poudres de différentes compositions ou par atomisation au gaz, puis utiliser la technologie de fabrication additive pour vérifier rapidement ses performances.

Cette capacité d'essais et d'erreurs rapides a considérablement accéléré les progrès de la science des matériaux. Par exemple, certains alliages à haute entropie, difficiles à obtenir avec la coulée traditionnelle, ou des matériaux fonctionnels nécessitant une distribution de composition en gradient, peuvent être facilement obtenus grâce à la technologie de fabrication additive. Il ne s'agit pas seulement de fabriquer des matériaux existants, mais de créer les matériaux du futur.

Conclusion :

En général, poudres métalliques pour la fabrication additive n'est pas seulement le matériau de fabrication, mais aussi le moteur de l'innovation industrielle moderne. Il fait de la conception structurelle complexe, de la légèreté, de la haute performance et de la fabrication sur mesure une réalité. De l'acier inoxydable aux alliages de titane, de l'aérospatiale aux implants médicaux, les poudres métalliques modifient la logique de la conception et de la production des produits comme jamais auparavant. Grâce aux progrès constants de la technologie de pulvérisation, du contrôle de la pureté des poudres et des procédés de fabrication additive, le potentiel des poudres métalliques continue d'être libéré. À l'avenir, il continuera à conduire l'industrie manufacturière à se développer dans une direction plus efficace, plus intelligente et plus durable, en fournissant une "fondation matérielle" solide pour l'ère de l'industrie 4.0 ".