Dossier publié initialement dans le numéro de septembre/octobre 2021 de 3D ADEPT Mag. Les fonctions, travaux et témoignages présentés se rapportent à cette période.
La qualité des poudres est déterminante en fabrication additive métallique. Leur récupération après fabrication peut réduire la consommation de matière neuve, à condition que la poudre récupérée reste adaptée au procédé et aux exigences de la pièce.
Ce dossier de 2021 examine les raisons économiques et environnementales de cette démarche. Récupération, réutilisation et recyclage ne sont pas synonymes : collecter une poudre ne la qualifie pas automatiquement pour une nouvelle fabrication.
Nous abordons les méthodes de récupération et de contrôle, en complément du dossier Comprendre le processus d’élimination des poudres métalliques.
Pourquoi récupérer la poudre ?
La possibilité de réutiliser une poudre dépend notamment du matériau, de son historique thermique et chimique, de la contamination, du procédé et des critères de qualification. Le recyclage peut aussi impliquer une transformation destinée à produire une nouvelle matière première.
Dans un procédé sur lit de poudre, une partie de la poudre est consolidée dans les pièces et les supports. Une autre reste autour des pièces ou dans leurs cavités. Les proportions varient avec le remplissage de la fabrication et sa géométrie.
La réutilisation peut limiter les achats de poudre neuve et les quantités éliminées. Son intérêt économique dépend aussi du coût de collecte, de tamisage, d’analyse, de stockage et de qualification.
Le bénéfice environnemental doit être apprécié sur le cycle de vie, en tenant compte des pertes de matière et des ressources consommées pour la récupération et le reconditionnement.
Andreas Hartmann, cofondateur et directeur technique de Solukon Maschinenbau GmbH, souligne chacune de ces perspectives en mettant l’accent sur les endroits où la récupération de la poudre doit avoir lieu :
« Tout d’abord, en prenant en compte le processus d’impression lui-même. Seule une petite quantité de la quantité totale de poudre est effectivement fusionnée dans un composant. Le reste de la poudre reste dans la chambre ou est piégé dans des cavités ou des canaux internes de la pièce imprimée – une poudre potentiellement réutilisable dans les deux cas. Ne pas récupérer cette poudre reviendrait à se débarrasser d’une énorme quantité de poudre qui n’a pas du tout été utilisée pour l’impression.
De cette façon, la récupération de la poudre suit l’idée fondamentale de la durabilité, c’est-à-dire éviter l’épuisement des ressources naturelles.
Deuxièmement, les ressources sont limitées, ce qui s’applique également à la poudre métallique. Il est donc crucial de récupérer et de recycler les poudres métalliques afin de garantir autant que possible la durabilité de la fabrication additive.
Le niveau de durabilité concernant la récupération de la poudre dépend fortement de l’industrie et de l’application. Il existe des industries où le recyclage de la poudre n’est pas possible (en raison des certifications). Pour ces industries en particulier, des concepts complets pour l’élimination appropriée ou le downcycling de la poudre doivent être développés. Concernant le downcycling, il est peut-être possible d’utiliser la poudre pour des composants qui n’ont pas besoin d’être certifiés (composants de formation, prototypes, etc.). »
Les restrictions de réutilisation relèvent de la spécification et du processus de qualification applicables ; elles ne s’étendent pas nécessairement à une industrie entière. Une poudre écartée d’une application doit également être évaluée avant tout autre usage.
L’étude d’Oros Daraban et al. publiée en 2019 décrit les étapes de production de poudre et les possibilités de prolonger son utilisation. Le schéma associe préparation du métal, production de poudre, validation, utilisation et voies de recyclage.
En d’autres termes, il s’agit de prendre en compte l’atomisation à l’eau, l’atomisation au gaz, l’atomisation au plasma, le procédé plasma à électrode rotative et l’atomisation centrifuge ou le procédé hydride-déshydride.
Les étapes à surveiller diffèrent selon que l’on produit la poudre ou les pièces. Pour le fabricant de pièces, le contrôle du lot, sa traçabilité, les paramètres de fabrication et le post-traitement doivent rester cohérents ; le dépoudrage ne remplace pas cette maîtrise globale.
Comment récupérer et contrôler la poudre ?
Comment récupérer efficacement la poudre ? Quel impact le processus de récupération et la poudre récupérée peuvent-ils avoir sur les autres étapes de la fabrication ?
Le choix de l’équipement et du circuit de récupération doit tenir compte du matériau, de la pièce, des risques associés et des critères d’acceptation de la poudre.
Tout d’abord, les fabricants doivent toujours garder à l’esprit que chaque matériau vieillit différemment et que ses caractéristiques sont donc susceptibles de changer pendant la fabrication, la récupération et la réutilisation. Aussi, il devient essentiel de suivre l’évolution des caractéristiques de la poudre à différents stades du recyclage pour produire des pièces aux propriétés cohérentes.
Hartmann explique les précautions prises par Solukon pour limiter les modifications et la contamination de la poudre pendant la récupération :
« Pour une réutilisation sans problème, la poudre doit inévitablement être exempte de toute contamination afin de minimiser les obstacles dans les processus d’impression ultérieurs. Un environnement propre pour la récupération de la poudre est donc obligatoire. Pour améliorer la qualité de la poudre récupérée, une atmosphère de gaz de sécurité est bénéfique. La fluidité de la poudre est augmentée tandis que l’humidité diminue – deux facteurs obligatoires pour les processus d’impression ultérieurs avec la poudre réutilisée. En outre, lors de l’utilisation de matériaux réactifs, une atmosphère inerte est obligatoire pour éviter le risque d’explosion.
Un autre effet à prévenir est ce qu’on appelle le “vieillissement de la poudre”. En raison de l’interaction avec l’atmosphère ambiante, la poudre métallique non fondue vieillit progressivement, ce qui signifie que la qualité de la poudre est réduite en raison de l’absorption d’oxygène. En conséquence, la morphologie et la chimie de surface, la forme et la distribution des tailles ainsi que la fluidité des particules sont modifiées. Les poudres vieillies peuvent affecter négativement les propriétés finales du composant imprimé, ce qui limite le nombre de cycles de la poudre métallique ».
Cette description concerne l’approche du fournisseur. Le choix de l’atmosphère et les protections de dépoudrage doivent être définis pour le matériau et l’équipement utilisés. L’inertage ne démontre pas, à lui seul, que la poudre conserve ses caractéristiques ni qu’elle peut être réutilisée sans contrôle.
Tous ces aspects fournissent une approche holistique de la production par FA, où les étapes du processus se fondent directement les unes dans les autres. Pour Solukon, ces étapes consistent à appliquer une étape de déballage sécurisé, une étape d’enlèvement des poudres ainsi qu’une étape de post-traitement.
Solukon présente la séquence suivante pour son circuit de récupération :
« – Dépoudrage : Après avoir déballé les pièces dans l’imprimante 3D, la station de dépoudrage élimine les résidus de poudre critiques des pièces dans une atmosphère protégée et les recueille sans contamination dans le fond de la chambre.
– Tamisage : Les résidus de poudre peuvent ensuite être acheminés vers l’unité de recyclage de la poudre. Là, il est tamisé et rafraîchi avec de la poudre fraîche.
– Réutilisation de la poudre : la poudre est maintenant prête pour d’autres processus d’impression. »
Le tamisage sépare certaines fractions et agglomérats, mais ne supprime pas à lui seul l’oxydation ni toutes les contaminations. La réutilisation reste soumise aux critères d’acceptation du lot. Les outils de collecte doivent être compatibles avec la poudre et les exigences de sécurité ; un aspirateur ordinaire ne constitue pas une méthode appropriée par défaut.
Les circuits de tamisage et de remise en circulation varient selon les machines. Le graphique Renishaw illustre une évolution de la teneur en oxygène pour un lot d’Inconel 718 ; il ne définit pas un nombre universel de réutilisations.
De plus, afin de savoir si la réutilisation de la poudre non fondue ou si le processus de récupération est valable pour un projet spécifique, les opérateurs doivent également prendre en compte les considérations de production et d’achat.
Distinguer les contrôles des métaux et des polymères
Evonik attire notre attention sur le fait que le nombre de fois que l’on peut réutiliser une poudre « dépend des pièces et du travail de construction. Idéalement, [les opérateurs] devraient pouvoir travailler avec un rapport vieux/nouveau fixe sans aucun rebut. » En fait, une fois que les critères auxquels les pièces doivent répondre ont été définis, certains opérateurs trouvent souvent plus abordable d’acheter des poudres proches des spécifications de production. Dans ce cas, le nombre de cycles de réutilisation sera également limité, car la poudre ne peut se dégrader qu’un certain temps avant d’être hors d’usage. Sans compter que les exigences en matière de propriétés du composant à imprimer détermineront le degré de surveillance de la poudre par l’opérateur ou le nombre de réutilisations possibles.
Quant à la viabilité de la poudre, parfois, la récupération et la réutilisation peuvent aboutir à une distribution granulométrique affinée, mais avec un changement marginal de la morphologie de la poudre. D’autres fois, “la viscosité doit être mesurée” – comme c’est le cas pour les poudres de polymère. “En fonction du résultat, le rapport ancien/nouveau doit être ajusté“, nous dit Evonik.
Les remarques d’Evonik sur la viscosité concernent ici les poudres de polymères et leur comportement à l’état fondu. Elles ne constituent pas un critère de viscosité de la poudre métallique à température ambiante. Le ratio poudre utilisée/poudre neuve doit être validé pour chaque matière et procédé.
Mesurer la performance environnementale
« Dans quelle mesure le processus de récupération de la poudre dans la FA est-il durable ? » La réalité montre que la récupération de poudre a fait ses preuves en termes de coûts globaux des pièces de production, et de réutilisation des poudres. Contrairement à ce qui se passait il y a dix ans, le marché actuel de la FA regorge de solutions de post-traitement automatisées qui peuvent faciliter ce processus. « Les systèmes de dépoudrage de Solukon, par exemple, récupèrent généralement jusqu’à 100 % de la poudre, sans contamination et dans une atmosphère protégée », note la société. Mais est-ce suffisant ? Comme poursuit Hartmann, c’est « le point de départ à une approche raisonnable de la durabilité en premier lieu. »
Le taux « jusqu’à 100 % » est une affirmation de Solukon sur la collecte de poudre dans ses conditions d’utilisation. Il ne signifie pas que toute la poudre récupérée est réutilisable ni que le procédé est dépourvu d’impact environnemental.
Une évaluation pertinente doit préciser la pièce ou le service rendu, le périmètre étudié et les données utilisées : matière neuve évitée, poudre rejetée, énergie, gaz et opérations de contrôle. Les résultats ne peuvent être extrapolés à tous les procédés sans ces informations.
Lors de cet entretien de 2021, les intervenants soulignaient le besoin de données plus représentatives. « Avec l’augmentation de la production en série, le besoin de durabilité va croître, non seulement pour des raisons de recyclage éthique, mais aussi en ce qui concerne l’élimination coûteuse de la poudre », souligne Hartmann.
La démarche consiste donc à récupérer la matière dans des conditions maîtrisées, vérifier ses caractéristiques, documenter ses cycles d’utilisation puis mesurer le bénéfice obtenu. Le rendement de collecte et l’aptitude à fabriquer une pièce conforme restent deux indicateurs distincts.
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