Dossier issu du numéro de septembre/octobre 2023 de 3D ADEPT Mag. Les entretiens, fonctions et projets mentionnés restent situés dans ce contexte.
Les applications de la fabrication additive métal sont remplies d’exemples impliquant l’utilisation de titane, d’inconel et, récemment, de cuivre pur. Alors que nous explorons la prochaine phase de croissance de ce segment, nous devons considérer l’aluminium et les alliages d’aluminium comme la gamme de matériaux sur laquelle les utilisateurs de la fabrication additive peuvent capitaliser. Le seul problème est que les avantages que l’on peut tirer du traitement des alliages d’aluminium par FA sont sous-estimés, voire négligés, et le plus étrange, c’est que je comprends pourquoi.
L’aluminium et ses alliages sont employés depuis longtemps dans l’aérospatiale, l’automobile et l’emballage. Selon la nuance, ils offrent légèreté, résistance mécanique, malléabilité, conductivité électrique ou résistance à la corrosion. Leur recyclabilité constitue également un atout. Le moulage, le formage de tôles et l’usinage restent des voies de fabrication conventionnelles importantes.
« Il existe d’excellentes options pour fabriquer des pièces en aluminium de haute performance. Par exemple, les alliages d’aluminium peuvent être usinés beaucoup plus facilement que d’autres métaux (titane, aciers inoxydables…). Nous pouvons couler l’aluminium dans des formes complexes, nous pouvons former des tôles pour en faire des canettes de boisson ou des panneaux de carrosserie automobile. De nombreux procédés d’assemblage existent (soudage, brasage, assemblage mécanique, collage…) et bien sûr, l’aluminium est recyclable à l’infini. C’est pourquoi l’aluminium est le matériau de choix dans de nombreuses applications d’emballage et de transport, en particulier lorsque la légèreté et/ou le recyclage sont des facteurs déterminants », a déclaré Alireza ARBAB, responsable de la fabrication additive chez Constellium, à 3D ADEPT Media.
Le coût doit être comparé pour une nuance, une forme de matière et un procédé donnés. Il varie avec le marché, la préparation de la matière, les quantités et les exigences de qualification : l’aluminium n’est donc pas systématiquement moins cher que tous les autres métaux cités.
Ces propriétés favorables et ces considérations de coût ont suscité l’intérêt des utilisateurs de la FA et des fournisseurs de solutions de FA qui ont commencé à explorer comment ils pouvaient combiner ces avantages avec ceux de la FA, offrant ainsi une autre option de fabrication aux industries verticales qui adoptent la FA.
L’article ci-dessous vise à comprendre les opportunités et les défis de la FA aluminium. Pour ce faire, il mettra l’accent sur les points suivants :
- Aluminium pur ou alliages ?
- Technologies de fabrication, avec un focus sur la LPBF et le Sheet Forging.
- Applications et besoins industriels.
- Conditions d’une démarche de durabilité.
Aluminium pur ou alliages ?
Pourquoi utiliser des alliages plutôt que de l’aluminium pur ? Le choix dépend de l’application. L’aluminium pur offre notamment une bonne conductivité, mais sa résistance mécanique limitée peut être insuffisante pour une pièce structurelle. Les éléments d’alliage et les traitements permettent d’adapter les propriétés au besoin.
Le dossier citait Elementum 3D et m4p (metals 4 printing) parmi les fournisseurs explorant ces matériaux, sans établir une liste exhaustive. La fiche A1000-AM d’Elementum 3D décrit une poudre d’aluminium pur. Elle est à distinguer de son A1000-RAM10, un composite à matrice aluminium renforcé : ces deux grades ne désignent pas le même matériau.
« L’aluminium est presque toujours allié et traité thermiquement ou écroui pour augmenter sa résistance. L’alliage dépend de l’application. Le moulage et le procédé PBF nécessitent tous deux la fusion et l’écoulement ; ils présentent donc généralement des niveaux élevés de silicium et les pièces qui en résultent sont sujettes à la porosité. Cela réduit la résistance des pièces. Le processus de forgeage des tôles d’Alloy ne nécessite pas de fusion ou de coulée, ce qui permet d’obtenir une plus grande variété d’alliages d’aluminium et d’éviter le problème de la porosité. Notre premier alliage est le 6061 – entièrement dense », explique Alison Forsyth, CEO d’Alloy Enterprises.
De plus, l’aluminium peut être allié à de nombreux autres éléments pour surmonter sa faible résistance. Selon Arbab, l’aluminium peut être combiné avec des éléments tels que le magnésium, le zinc, le cuivre, le silicium, le manganèse, pour n’en citer que quelques-uns. L’essentiel est de pouvoir concevoir les alliages d’aluminium adaptés aux différents marchés et processus de production.
Technologies de fabrication additive pour l’aluminium
La fusion sur lit de poudre constitue une voie importante pour l’aluminium. Le dépôt de matière sous énergie concentrée (DED), notamment avec un arc électrique ou un faisceau d’électrons, et la projection de liant sont d’autres approches étudiées ou proposées selon le matériau et le procédé. WAAM et EBAM ne sont donc pas des familles indépendantes du DED. Les compatibilités doivent être vérifiées pour chaque nuance et système.
La réflectivité aux longueurs d’onde usuelles des lasers à fibre, la forte conductivité thermique et la sensibilité à la fissuration de certaines nuances compliquent la mise en œuvre. Des alliages de fonderie comme AlSi10Mg et AlSi12 ont ainsi été employés en LPBF, avec des paramètres adaptés.
Parmi les procédés susmentionnés, la fusion sur lit de poudre par faisceau laser (LPBF) et le dépôt d’énergie dirigée (DED) peuvent utiliser un faisceau laser, ce dernier pouvant utiliser une poudre ou un fil comme matière première.
Fusion laser sur lit de poudre
Le responsable de FA de Constellium a déclaré à 3D ADEPT Media que « les nombreux alliages développés pour les applications existantes ne sont pas optimisés pour la production à l’aide des technologies de FA, en particulier la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) ». Pour l’expert, il est nécessaire d’avoir une vue d’ensemble pour comprendre le processus complet – de la gestion des poudres aux pièces finales, en passant par l’impression, le post-traitement et le contrôle qualité – et les domaines qui peuvent nécessiter des points d’intérêt spécifiques.
« Notre alliage Aheadd® CP1 [un matériau spécialement conçu pour la FA] utilise l’avantage de la vitesse de solidification extrêmement rapide du procédé LPBF, ce qui permet à Constellium d’utiliser des règles de conception d’alliage spécifiques pour créer une solution bien meilleure. À titre d’exemple, le CP1 contient 1 % de fer en tant qu’élément d’alliage clé. Dans la plupart des alliages d’aluminium, l’alliage de fer est limité en tant qu’impureté », souligne-t-il.
Par ailleurs, outre la forte réflectivité et la faible absorption du laser qui peuvent entraîner des défauts, les propriétés de certains alliages d’aluminium peuvent également entraîner des défauts tels que la porosité, les fissures, un mauvais état de surface, le retrait, l’oxydation et les contraintes résiduelles.
En outre, chaque imprimante 3D est dotée d’un ensemble de paramètres uniques. Cela signifie qu’un problème observé sur la machine X n’est pas nécessairement le même que celui observé sur la machine Y.
Une étude de Leirmo et Baturynska publiée en 2020 regroupe les pistes de réduction des défauts en quatre catégories : modification de la composition, réglage de la puissance laser, stratégie de balayage et préséchage de la poudre. Leur pertinence dépend de l’alliage et du système ; ce ne sont pas des réglages universels.
Le procédé Sheet Forging d’Alloy Enterprises
Alison Forsyth nous a ouvert les yeux sur une nouvelle façon de fabriquer des pièces et des matériaux en aluminium grâce à la fabrication à grande vitesse. Pour Alison Forsyth, l’aluminium est différent des autres métaux car il « forme une couche d’oxyde robuste en quelques millisecondes ». Il est donc difficile de le coller ou de l’imprimer, en particulier dans les processus présentant un rapport surface/volume élevé, qui maximise la quantité d’oxyde. Le processus de forgeage de feuilles d’Alloy a été conçu pour surmonter ce défi.
Parlant de leur processus de forgeage de tôle, elle a expliqué que « Alloy Enterprises transforme la façon dont les composants en aluminium sont fabriqués. Alloy fabrique des composants en aluminium entièrement denses, ce qui permet à ses clients de passer du prototype à la production. Contrairement aux procédés de fabrication additive à base de poudre, le processus de forgeage de tôles d’Alloy est à haut débit et produit des composants aux propriétés matérielles supérieures.
Le processus commence par le découpage numérique du composant 3D en couches discrètes. Les couches sont ensuite découpées au laser dans les matières premières personnalisées d’Alloy et un agent inhibiteur est appliqué de manière sélective pour créer des supports in situ. La pile complète de feuilles alignées est ensuite assemblée par diffusion. Enfin, les pièces sont retirées du bloc et soumises à un traitement thermique. Le processus d’Alloy offre la flexibilité des propriétés des matériaux corroyés et la complexité géométrique de la fabrication additive pour produire des composants légers avec une résistance, une durabilité et une conductivité thermique optimales ».
La description précédente présente les avantages revendiqués par Alloy Enterprises. Le dossier ne fournit pas de comparaison indépendante des cadences avec la LPBF ; aucun gain de vitesse général ne peut donc en être déduit.
Applications des alliages d’aluminium
Parmi les industries verticales mentionnées ci-dessus, l’une d’entre elles pourrait voir l’utilisation croissante des alliages d’aluminium : l’industrie des véhicules électriques. Plus les véhicules électriques seront développés, plus les équipementiers de ce secteur auront besoin de matériaux solides et légers tels que l’aluminium.
Selon le CEO d’Alloy Enterprises, l’aluminium fera partie du parcours d’électrification de tout ce qui bouge, et la fabrication flexible à la demande et à des coûts compétitifs sera essentielle à cette transition. À propos de leur processus de forgeage de tôles, elle explique : « Le processus de forgeage de tôles d’Alloy peut être utilisé pour l’automobile, les véhicules électriques, les équipements lourds et industriels. En outre, certains alliages d’aluminium ont une conductivité thermique élevée par rapport à leur poids. Les applications de refroidissement et de gestion thermique, à mesure que nous embarquons davantage de batteries ou d’électronique dans les véhicules, les machines et les ordinateurs, continueront à favoriser l’adoption du procédé de forgeage de tôles d’Alloy. »
Pour Arbab, il existe déjà de nombreuses applications passionnantes créées par la technologie LPBF qui peuvent être réalisées avec des alliages d’aluminium. Il s’agit, par exemple, des composants de satellites, de la défense, des échangeurs de chaleur et des pièces automobiles haut de gamme.
« À mesure que les coûts diminuent et que les concepteurs prennent conscience des nouvelles possibilités offertes par des alliages spécifiques tels que le matériau Aheadd® CP1, nous recevons déjà de nombreuses demandes d’études d’application. Nous recevons déjà de nombreuses demandes d’études d’application dans des domaines tels que les pièces de rechange à la demande, les applications de l’industrie des semi-conducteurs… L’activité actuelle n’est que la partie émergée de l’iceberg », ajoute-t-il.
Durabilité : matière, réutilisation et cycle de vie
Lors de cet entretien, Forsyth indiquait que la matière première du procédé Sheet Forging avait été conçue pour diviser par 15 les émissions de carbone par rapport à une poudre. Il s’agit d’une affirmation du fournisseur portant sur la matière première, sans analyse comparative détaillée fournie dans ce dossier ; elle ne décrit pas le bilan complet d’une pièce.
Forsyth indiquait également que les chutes pouvaient être réutilisées en évitant certaines opérations de recyclage. Les conditions et les consommations de cette réutilisation doivent être prises en compte dans une comparaison environnementale.
La réutilisation d’une poudre dans une machine ne se confond pas avec le recyclage du métal par refusion. Elle exige de contrôler l’état de la matière et les propriétés des pièces ; une réutilisation illimitée ne peut pas être présumée. Lors de l’entretien, Arbab décrivait les travaux de Constellium sur le rendement, la qualité et le recyclage des poudres avec une ligne pilote d’atomisation à l’IRT M2P, dans le nord de la France.
Cela dit, la compréhension du cycle de vie complet d’un matériau est probablement la première étape à franchir pour les entreprises qui cherchent à fabriquer des produits plus durables, ce qui devrait faire l’objet d’un autre article.
Ce dossier a été initialement publié dans le numéro de septembre/octobre 2023 de 3D ADEPT Mag.
Image de une : Alloy Enterprises.
Note de relecture : contexte de publication, terminologie technique et limites des comparaisons précisés ; les résultats présentés par les fournisseurs restent attribués.
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