DOSSIER : Quel est l’impact des gaz atmosphériques dans la fabrication additive ?

La fabrication additive a été abordée dans un large éventail de sujets, mais l’impact des gaz atmosphériques pour ses diverses technologies est souvent un domaine qui a été ignoré.

Dans un environnement qui offre un large éventail de technologies de fabrication additive pour répondre à une large gamme d’exigences de production (matériaux, état de surface et coût), l’utilisation des gaz atmosphériques reste un besoin constant, ainsi que la volonté d’optimiser à la fois le procédé et le produit obtenu.

Parmi les gaz atmosphériques disponibles sur le marché, les gaz inertes tels que l’argon ou l’azote sont les plus souvent exploités dans les procédés de fabrication additive (FA) métallique et dans les procédés de FA périphériques comme les opérations de pré et post-production.

Comment sont-ils utilisés dans les procédés de FA ?

L’impact des gaz peut être étudié dans différents procédés de FA : fusion par poudrage laser, dépôt d’énergie dirigé par laser, frittage laser sélectif, soudage à l’arc gaz-métal (MIG/MAG) et techniques de soudage plasma.

Dans la technologie de fusion à lit de poudre laser, le gaz argon permet un environnement idéal pour la fabrication. En effet, dans les procédés de fabrication additive métallique, il n’est pas facile de contrôler l’environnement et de minimiser l’introduction d’impuretés potentielles.

De plus, l’inertage est essentiel à la bonne gestion de la poussière combustible provenant de la poudre métallique et du procédé d’impression. D’autre part, un flux de gaz constant au-dessus du lit de poudre facilite l’élimination des saillies et des fumées générées dans le bain de fusion, sinon le contact entre le laser et les fumées créerait des défauts dans les matériaux une fois les saillies produites.

Selon une recherche menée par Linde, spécialiste des gaz, c’est pour les raisons évoquées ci-dessus que, des gaz inertes sont introduits dans la chambre d’impression scellée. Leur rôle est de « créer une atmosphère hautement contrôlée, mais d’autres gaz atmosphériques sont utilisés dans une variété d’applications vitales pour les procédés de FA ». 

L’argon est également exploité pour le procédé L-DED (Laser Directed Energy Deposition). Dans ce cas, un gaz porteur contient la poudre qui est guidée vers le substrat à travers une buse concentrique au faisceau laser. Une autre option serait d’alimenter le fil par le côté. 

« La poudre ou le fil est ensuite fondu pour former un dépôt qui est lié au substrat et cultivé couche par couche. Un jet de gaz supplémentaire – composé d’argon ou de mélanges de gaz sur mesure – qui est concentrique au faisceau laser, assure un blindage supplémentaire. »

Comme pour le procédé SLS, le laser à dioxyde de carbone (CO₂) fritte la poudre dans l’azote. Comme mentionné précédemment, cette dernière est une atmosphère de gaz inerte ; elle empêche la poudre chauffée de réagir avec l’air ambiant en la protégeant.

Enfin, le soudage à l’arc gaz-métal (MIG/MAG) et les techniques de soudage plasma permettent la fusion de métal d’apport pour former un composant 3D couche par couche. Les gaz de protection tels que l’argon, l’hélium et les mélanges gazeux sont compatibles avec ce procédé. Ils « protègent le substrat chaud contre l’atmosphère ambiante et ajustent les propriétés métallurgiques de la pièce à créer ». Le refroidissement du composant généré se fait par l’application de gaz froids pendant le processus de soudage pour améliorer la productivité.

Les procédés décrits ci-dessus démontrent la présence inhérente de gaz dans la fabrication, en particulier dans la chambre de construction fermée souvent remplie d’argon et d’azote. Ils soulignent également à quel point il est crucial de contrôler l’environnement de fabrication, d’où le développement d’une technologie adaptée à chaque procédé.

Comprendre l’importance de contrôler l’atmosphère dans un processus de production 

Au vu du potentiel de la fabrication additive pour les industries, les entreprises spécialisées dans les gaz ont réellement commencé à dédier une partie de leur unité aux gaz utilisés dans la FA il y a quelques années. Linde, par exemple, l’un de ces spécialistes a développé une technologie unique pour briser les barrières créées par les impuretés atmosphériques et permettre aux fabricants de travailler dans des conditions d’impression optimales.

La société a développé une armoire à poudre ADDvance®, qui vise à préserver la qualité des poudres métalliques précieuses et sensibles en les protégeant de l’exposition à l’air et à l’humidité ambiante. 

Selon Linde, « ADDvance® O2 precision – fournit une analyse continue de l’atmosphère gazeuse, détectant les niveaux d’oxygène avec une grande précision sans sensibilité croisée. Reconnaissant des concentrations d’O2 aussi faibles que 10 parties par million (ppm), l’appareil déclenche automatiquement un processus de purge pour maintenir l’atmosphère aussi pure que nécessaire. »

L’armoire à poudre fonctionne avec une unité de contrôle et de surveillance de l’humidité pour mesurer en continu les niveaux d’humidité, déclenchant un flux de gaz de purge à grand volume dès que les portes sont fermées pour éliminer rapidement l’humidité de l’air. Il applique ensuite un flux de gaz plus faible afin d’assurer un niveau d’humidité constamment bas. 

La phase de post-traitement

Curieusement, les gaz continuent d’avoir un impact sur la fabrication après l’étape de la production. Au cours de la phase de post-traitement, le défi reste d’assurer les propriétés mécaniques de la pièce, d’où la nécessité d’une étape de traitement thermique pour réduire les contraintes.

Le pressage isostatique à chaud (HIP – Hot isostatic pressing), par exemple, est un procédé avancé de traitement thermique des matériaux qui utilise des températures élevées dans une atmosphère confinée à haute pression pour éliminer la porosité interne et les vides dans les matériaux et composants métalliques coulés. Les pièces sont traitées thermiquement dans un récipient sous haute pression isostatique avec de l’argon de haute pureté généralement utilisé pour fournir l’atmosphère inerte nécessaire pour prévenir les réactions chimiques qui pourraient nuire aux matériaux à traiter. La plus petite impureté dans l’argon à cette pression – facilement jusqu’à 1.000 bars – crée de l’oxydation. Il s’agit là d’un défi majeur pour l’approvisionnement en gaz.

Dans les conditions de procédé HIP haute température/haute pression, la microporosité et les vides sont réduits ou éliminés par déformation plastique, fluage et collage par diffusion, améliorant ainsi les propriétés mécaniques et les performances en fatigue des pièces fabriquées. La fiabilité et la durée de vie des composants critiques sont optimisées.

Les applications HIP typiques comprennent les composants de turbines à gaz, les pièces de moteurs automobiles, les roues de turbocompresseurs, les pièces structurelles aérospatiales, les implants médicaux, les prothèses et les composants de forme quasi nette.

Au cours de n’importe lequel des processus de FA, des résidus de poudre de sablage ou de la poudre non fondue peuvent s’accumuler sur la pièce à imprimer. L’élimination des particules des trous et des cavités peut représenter un défi particulier dans le cas de pièces et de composants de petite taille et à géométrie complexe, d’autant plus que les résidus métalliques en fusion nécessitent des températures élevées potentiellement dommageables.

Selon l’application en question, un certain nombre de traitements de finition de surface différents peuvent être appliqués pour éliminer ou réduire la rugosité de surface des pièces imprimées en 3D, y compris la finition des cylindres, l’usinage par flux abrasif, le polissage plasma, le micro usinage et le polissage électrochimique.

Ce dossier a fait l’objet d’une première publication dans le numéro de février 2019 de 3D ADEPT Mag.

Passionnée de nouvelles technologies, je m'intéresse particulièrement aux technologies d'impression 3D et leurs capacités d'impacter significativement les modes de production dans divers secteurs d'activités. Conscient de l’importance de cette technologie pour transition vers l'industrie 4.0, c’est avec plaisir que je vous partage les dernières informations et analyses qui y ont trait, afin qu’à votre tour, vous puissiez en tirer profit. #Restezconnectés #3DAdept