Leçon 8.9FaçonnerChapitre 8 · Fabrication additive

Fabrication additive ultrasonique (UAM)

Les vibrations ultrasoniques soudent des feuilles de métal sans les fondre, puis une fraiseuse les détoure (laminage de feuilles)

La fabrication additive ultrasonique (UAM) construit des pièces métalliques en soudant de fines feuilles les unes sur les autres par vibrations à haute fréquence. Rien ne fond : le métal reste solide, un peu comme deux surfaces métalliques très propres peuvent coller quand on les frotte fort l'une contre l'autre. Comme elle travaille à froid, l'UAM peut enfouir des capteurs, des fils et des canaux de refroidissement dans du métal massif.

Photo : Fabrisonic LLC, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

fabrication additive ultrasonique · soudage et usinage, 5 étapesÀ gauche : les feuilles en cours de soudage, avec le joint grossi en dessous. À droite : l'étape d'usinage qui suit. Les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Poser une feuille. Une bande de feuille de métal, généralement d'environ 0,15 mm d'épaisseur et 25 mm de large, se déroule sur la pièce.
Presser et vibrer. Une sonotrode (un amplificateur en forme de roue, entraîné par des vibrations ultrasoniques) roule sur la feuille. Elle presse fort et la frotte latéralement environ 20 000 fois par seconde (20 kHz).
Lier sans fondre. Le frottement brise le fin film d'oxyde (une peau de ternissure) sur les deux surfaces. Du métal propre touche du métal propre et les atomes se lient, alors que la pièce reste tiède, pas fondue.
Répéter. Les feuilles sont posées côte à côte et les unes sur les autres, pour construire un bloc plein couche par couche.
Usiner et intégrer. Toutes les quelques couches, une fraiseuse CNC intégrée (un outil de coupe à commande numérique) détoure le contour et taille des canaux ou des poches. Des capteurs ou des fibres sont placés dans une poche, et de nouvelles feuilles les scellent.

Chiffres clés

Matériaux: Alliages d'aluminium (les plus courants), feuilles de cuivre, de titane, de nickel et d'acier ; couples dissemblables comme aluminium avec cuivre ou titane
Pièces typiques: Échangeurs de chaleur à canaux internes, pièces avec capteurs ou fibres intégrés, plaques multimétalliques et jonctions de transition
Taille de pièce: De quelques centimètres à environ 1,8 m de large sur les plus grandes machines
Précision: Déterminée par la fraiseuse CNC intégrée : environ ±0,05 mm sur les faces usinées
État de surface: Usinée : aussi lisse que n'importe quelle pièce fraisée
Taille de série adaptée: Prototypes, pièces uniques et petites séries de pièces à forte valeur
Coût d'outillage et de machine: Pas d'outillage. Les machines coûtent généralement de plusieurs centaines de milliers à des millions de dollars
Vitesse: De quelques heures à des jours par pièce : le soudage est rapide, mais les arrêts d'usinage ajoutent du temps

Atouts et limites

Atouts

Pas de fusion : les métaux dissemblables s'assemblent sans couches fragiles
Capteurs, fibres et électronique survivent à l'enfouissement dans le métal
Canaux internes sans supports ni poudre libre à évacuer
Précision et finition d'usinage avec la même machine

Limites

Fonctionne mieux avec les métaux plus tendres ; l'aluminium est de loin le plus facile
Les liaisons entre feuilles peuvent être plus faibles dans le sens d'empilement
Surtout des formes massives ; les détails minces, hauts ou complexes sont difficiles
Peu de fabricants de machines et équipement coûteux

Où on l'utilise

Aéronautique et espaceÉchangeurs de chaleur et pièces de contrôle thermique pour satellites et avions
ÉlectroniquePlaques froides et boîtiers avec canaux de refroidissement intégrés
Énergie et rechercheStructures avec capteurs à fibre optique ou de température intégrés
Industrie lourdeJonctions de transition multimétalliques, comme l'aluminium lié à l'acier ou au cuivre

Comment le reconnaître

Des pièces massives qui semblent fraisées dans la masse, sans ligne de couche à l'extérieur.
Sur une coupe attaquée chimiquement, de fines bandes espacées d'environ 0,15 mm : les couches de feuilles.
Deux métaux différents dans un même bloc, comme de l'aluminium sur du cuivre, se rejoignant à une frontière nette et droite.
Des canaux internes ou des fils cachés qu'aucun outil de coupe n'aurait pu atteindre de l'extérieur.

À comparer avec

Soudage par ultrasons7.7la même liaison par vibrations utilisée pour joindre deux pièces ; l'UAM la répète feuille après feuille pour en construire une.Fusion laser sur lit de poudre8.4fait aussi des canaux internes, mais en faisant fondre de la poudre : elle ne peut donc pas enfouir de capteurs ni mêler librement les métaux.Fraisage5.2L'UAM intègre une fraiseuse ; la forme finale est usinée, et la précision est donc celle du fraisage.

À regarder

Fabrisonic3D · Le fabricant explique comment le soudage ultrasonique lie des feuilles sans fusion

Fabrisonic3D · Images réelles de la machine qui pose, soude et détoure les feuilles

Fabrisonic3D · Exemples de pièces : capteurs intégrés, canaux internes, métaux mélangés

Fabrisonic3D · Une grande machine de production au travail

Voir de vraies photos

Wikipédia : Ultrasonic consolidation — le procédé et son histoire ; texte seul, pas de photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

L'UAM soude des feuilles de métal par pression et vibrations ultrasoniques, sans jamais les fondre.
La faible chaleur permet de joindre des métaux dissemblables et d'enfouir des capteurs dans du métal massif.
Elle alterne soudage et usinage CNC : les pièces sortent donc précises.