L’impression en 3D de pièces en acier

Dans le cadre du projet INSIDE Metal AM, Sirris, CRM et BIL ont étudié la faisabilité technologique et économique de l’impression en 3D de pièces en acier. Voici un bref aperçu des pièces de démonstration réalisées. 

L’impression en 3D ne comporte pas toujours l’usage d’applications ou de matériaux exotiques. Dans le cadre du projet INSIDE Metal AM, nous nous sommes également penchés sur le matériau d’ingénierie par excellence : l’acier. Il est vrai que l’acier se décline en plusieurs variantes. Dans cet article, nous n’allons plus revenir sur le choix du matériau que nous avons déjà couvert dans une publication antérieure. Cet article porte sur le potentiel de l’impression 3D après avoir sélectionné le type d’acier voulu.

Exemple de rotor générique

Le premier exemple consiste en une pièce de démonstration que nous avons conçue dans le cadre de ce projet. Aux fins d’illustration, nous voulions travailler avec une forme suffisamment complexe pour être intéressante dans le contexte de l’impression 3D, pour autant qu’elle soit aussi réalisable en recourant à deux techniques distinctes : fusion au laser sur lit de poudre (L-PBF) et dépôt de métal par laser (LMD). Après avoir examiné un certain nombre de pièces candidates, notre choix s’est arrêté sur un organe que nous avons baptisé « rotor générique » et imprimé en acier 17-4PH. Ce rotor présente une hauteur totale de 255 mm, une diagonale de 100 mm à la base et de 80 mm au sommet. Ce rotor pourrait faire office d’hélicoïde de pompe, d’engrenage, etc. Nous avons également décidé d’intégrer une structure réticulaire progressive, adaptée au gradient de charge qui caractérise le rotor, la charge la plus importante s’appliquant à la base de ce dernier, comparativement à son sommet. Un gain de poids significatif constitue de surcroît un avantage majeur dans le contexte de machines portatives ou d’applications vouées au transport et caractérisées par des accélérations/décélérations rapides.

Nous avons appris que l’impression 3D en recourant à la technique du dépôt de métal par laser (LMD) est un peu plus contraignante sur le plan géométrique quant à l’angle d’inclinaison maximal des parois, l’utilisation de structures de soutien, etc. En outre, il faut être prudent lors de l’adoption de la stratégie d’impression afin de prévenir l’apparition de points chauds. D’autre part, l’impression 3D par fusion au laser sur lit de poudre (L-PBF) a montré que nous avions sous-estimé le développement de contraintes résiduelles pour cet acier et qu’une simulation anticipée du processus eût été judicieuse. Comme on pouvait s’y attendre, les données relevées lors de la phase d’optimisation de la topologie ont clairement démontré que la définition des conditions limites revêtait une importance capitale.

Enfin, les démonstrateurs imprimés feront parler d’eux et permettront de tirer des enseignements précieux. Autant de leçons que nous sommes ravis de partager avec vous pour vos applications.

Rotor Rotor réalisé par fusion au laser sur lit de poudre (L-PBF) et doté d’une structure interne réticulaire progressive

Rotor réalisé par dépôt laser de métal (LMD) (photo de gauche) au CRM et après tribofinition (photo de droite)

Moulage par extrusion de pièces en aluminium

Vivement intéressé par notre projet, le Conseil industriel consultatif de l’INSIDE Metal AM nous a présenté plusieurs cas passionnants. L’un de ces cas provenait de la société E-Max. Établie à Dilsen-Stokkem, cette entreprise est spécialisée dans l’extrusion de pièces en aluminium. Il arrive régulièrement que l’une des cavités d’une matrice qui en compte quatre (et autorise l’extrusion simultanée de quatre profilés) devienne défectueuse. En pareil cas, un remplacement de la matrice s’impose. Toutefois, l’utilisation d’inserts remplaçables permettrait de réduire potentiellement les durées d’immobilisation et d’économiser la matrice. Il a été décidé de procéder d’abord à une évaluation des performances du matériau imprimé en 3D, en l’occurrence un acier H11, en testant un simple échantillon d’essai. Cet acier H11 requiert l’utilisation d’un équipement spécifique apte à préchauffer le lit de poudre en le portant à une température de 500 °C. Ainsi la société VAC Machines établie à Bruges allait permettre à Trumpf d’imprimer un anneau susceptible d’être inséré dans la matrice d’extrusion E-max employée pour procéder à l’extrusion de tubes en aluminium. D’un diamètre extérieur de 78 mm et d’une hauteur de 10 mm, cet anneau imprimé en 3D allait présenter une microstructure cellulaire satisfaisante et s’avérer d’une dureté appréciable ainsi que d’une porosité minimale. S’étant parfaitement acquitté de sa mission lors d’un premier cycle de production de 250 kg, cet anneau est encore mis à contribution actuellement. Malheureusement, les tolérances pointues auxquelles doivent se conformer les conduits d’extrusion se sont avérées un obstacle insurmontable (pour le moment) et ont entraîné un abandon (provisoire) de l’étude de l’impression en 3D des cavités. Cependant, les performances exceptionnelles de l’anneau d’essai ont ouvert de nouvelles perspectives : l’impression de conduits de refroidissement conformés autour de la matrice pourrait améliorer la stabilité du processus d’extrusion de pièces en aluminium recyclé, une approche qui n’a pas encore été envisagée dans ce secteur d’activité.

Par conséquent, on observe que l’innovation ne doit pas toujours emprunter une trajectoire prédéfinie et que la créativité est primordiale. Bien qu’elle n’ait pas débouché sur le résultat escompté, cette démonstration spécifique a mené à trois aboutissements majeurs : (1) développement du savoir-faire et des connaissances dans le domaine de l’impression 3D et des performances de l’acier H11, (2) découverte et validation d’un procédé de réduction des coûts reposant sur l’utilisation d’inserts interchangeables, quoique résultant d’un processus de fabrication conventionnel, et (3) recours au refroidissement conformé, une idée innovante susceptible de s’appliquer à l’extrusion de pièces en aluminium (avec une touche de durabilité).

Illustration de gauche : Matrice d’extrusion de pièces en aluminium à quatre cavités, illustration de droite : schéma d’utilisation d’insertsn

Remplacement d’une pièce obsolète en fonte

Avec le concours d’Engie Laborelec et de nos partenaires de recherche, nous nous sommes également penchés sur plusieurs cas potentiellement intéressants de fabrication additive arc-fil (WAAM). Comme l’obsolescence de pièces ou d’outils contribue activement à la mise en œuvre de la fabrication additive, cet aspect a été pris en considération lors de la sélection d’un composant de pompe de grand gabarit dans le cadre d’une étude de cas. Une version plus compacte du composant original en fonte d’acier duplex de 1,6 x 0,8 m sera fabriquée en recourant à l’installation robotique LMD/WAAM opérationnelle au CRM. La sélection de la composition du fil, l’adoption de stratégies de dépôt WAAM pertinentes, etc. sont autant d’aspects qui ont fait l’objet d’une validation sur des échantillons de moindres dimensions. L'existence de porte-à-faux, la formation de « points chauds » en cours de dépôt et l’apparition d’autres problèmes de génération de trajectoire constituent autant de risques potentiels pour cette approche. Les développements et le processus de fabrication relatifs à ce démonstrateur sont actuellement à l’étude. Nous espérons que cette partie des travaux sera prête à faire l’objet d’une analyse finale (étude de déformation, analyse métallurgique) dès le mois de janvier.

Chez Sirris, nous sommes ravis de vous encourager à faire un petit bond dans l’avenir. Pour plus d’informations concernant le projet ou pour avancer des idées/questions en rapport avec la fabrication additive (AM), prenez prenez ontact avec nous.

Ce projet a été réalisé avec le soutien du Vlaio et du centre Strategic Initiative Materials (SIM).