Leçon 8.4FaçonnerChapitre 8 · Fabrication additive

Fusion laser sur lit de poudre (métal, SLM/DMLS)

Un laser fait fondre de fines couches de poudre métallique (fusion sur lit de poudre)

La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) fait fondre de la fine poudre métallique avec un laser, une fine couche à la fois, pour construire des pièces métalliques entièrement denses. Les fabricants de machines l'appellent SLM (selective laser melting) ou DMLS (direct metal laser sintering). Elle compte car elle fait des formes métalliques qu'aucun outil de coupe ni aucun moule ne pourrait faire, comme des pièces de moteurs-fusées avec des canaux de refroidissement à l'intérieur.

Photo : Matti Blume, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Chambre de fusion sur lit de poudre métallique en coupe : flux d'argon, laser, lame, supports et plateau de fabricationLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; les étapes 3 à 5 se répètent des milliers de fois.

Comment ça marche

Trancher et ajouter des supports. Un logiciel découpe le modèle en couches très minces et ajoute des supports (de fines entretoises métalliques). Ils ancrent les surplombs au plateau et évacuent la chaleur pour que la pièce ne gauchisse pas.
Remplir d'argon. La chambre est fermée et balayée avec de l'argon ou de l'azote, des gaz inertes qui empêchent le métal chaud de s'oxyder. Un flux de gaz régulier évacue la fumée et les projections (minuscules gouttes chaudes) hors du trajet du laser.
Étaler une couche. Le piston d'alimentation monte, et une lame de raclage étale de la poudre métallique sur le plateau, typiquement de 0,02–0,06 mm d'épaisseur.
Faire fondre la tranche. Un laser à fibre, typiquement de 200–1 000 W, trace la tranche. Il fait fondre la poudre en un minuscule bain qui se fige presque instantanément, se soudant à la couche du dessous.
Descendre et répéter. Le plateau descend d'une couche et le cycle recommence, souvent des milliers de fois sur un ou plusieurs jours.
Finir la pièce. Encore sur le plateau, les pièces reçoivent un traitement thermique de détente (un chauffage lent qui relâche les contraintes emprisonnées). Elles sont ensuite découpées, les supports sont retirés, et beaucoup passent au HIP (compression isostatique à chaud, leçon 9.3) et à l'usinage.

Chiffres clés

Matériaux: Alliages de titane (Ti-6Al-4V), aciers inoxydables et à outils, superalliages de nickel (Inconel), aluminium (AlSi10Mg), cobalt-chrome, alliages de cuivre
Pièces typiques: Injecteurs de moteurs-fusées, pièces de turbines et de circuits de carburant, implants médicaux, couronnes dentaires, moules avec canaux de refroidissement, échangeurs de chaleur
Taille de pièce: Typiquement 25–40 cm de côté ; les plus grandes machines dépassent 1 m
Précision: Environ ±0,1 mm brut d'impression ; les faces critiques sont usinées ensuite
État de surface: Mate et légèrement rugueuse, comme du papier de verre fin ; plus rugueuse sur les surfaces tournées vers le bas ; souvent sablée, polie ou usinée
Taille de série adaptée: De 1 à quelques milliers de pièces par an ; idéal quand chaque pièce est complexe et de grande valeur
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage ; les machines coûtent de plusieurs centaines de milliers à quelques millions de dollars
Vitesse: Lent : les fabrications prennent souvent un à plusieurs jours

Atouts et limites

Atouts

Des formes impossibles à usiner ou à couler : canaux internes, treillis, formes organiques
Métal entièrement dense, comparable au métal coulé ou corroyé après traitement thermique
Plusieurs pièces fusionnées en une seule, ce qui économise de l'assemblage et du poids
Conceptions légères issues de l'optimisation topologique (un logiciel qui retire la matière inutile)

Limites

Machines, poudre et post-traitement très coûteux
Demande des supports, qu'il faut couper ou usiner
Les contraintes thermiques emprisonnées peuvent gauchir les pièces ou les décoller du plateau en les fissurant
Lent, avec des surfaces rugueuses qui demandent souvent un usinage

Où on l'utilise

EspaceInjecteurs de moteurs-fusées, chambres de combustion, pièces de turbopompes
AéronautiqueInjecteurs de carburant de moteurs d'avions, supports, échangeurs de chaleur
MédicalCotyles de hanche et implants vertébraux à surfaces poreuses, implants sur mesure
DentaireCouronnes, bridges et châssis de prothèses en cobalt-chrome
OutillageMoules d'injection avec refroidissement conforme (des canaux qui suivent la forme de la pièce)
Sports mécaniquesSupports légers, pivots, pièces d'échappement et hydrauliques

Comment le reconnaître

Une surface métallique grise, mate et légèrement granuleuse, souvent avec de faibles lignes de couches.
De petites cicatrices ou zones rugueuses sur les surfaces tournées vers le bas, là où des supports ont été retirés.
Une base plane, souvent usinée, là où la pièce a été découpée du plateau de fabrication.
Des formes organiques, des treillis ou des canaux internes qu'aucun foret ni moule ne pourrait produire.

À comparer avec

Frittage sélectif par laser8.3la même idée de lit de poudre avec du nylon ; pas de supports nécessaires, mais seulement des pièces en plastique.Projection de liant (binder jetting)8.5colle la poudre métallique au lieu de la faire fondre, puis la fritte dans un four ; moins cher par pièce, mais les pièces rétrécissent.Dépôt par énergie dirigée8.7amène de la poudre ou du fil dans un bain de fusion laser ; construit ou répare de plus grandes pièces, avec des détails plus grossiers.

À regarder

RAPID DIRECT · Tout le flux de travail SLM, expliqué aux débutants

Billy Wu · Images en gros plan d'une pièce en cours de fabrication

3D Distributed · Une machine au travail : laser, étincelles et racleur

NASA's Marshall Space Flight Center · Des pièces de moteurs-fusées imprimées à la NASA

Voir de vraies photos

Wikipédia : Fusion sélective par laser — schéma du procédé et photos de pièces métalliques imprimées
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le LPBF fait fondre la poudre métallique avec un laser sous gaz inerte, construisant des pièces entièrement denses couche par couche.
Il fabrique des pièces métalliques complexes et légères qu'aucun autre procédé ne sait faire, mais lentement et à coût élevé.
Les supports, le traitement thermique, la découpe du plateau et souvent l'usinage font partie de chaque travail.