Archive — Ce dossier de septembre 2019 rassemble les explications de LPW Technology, MIMETE et Linde. Les prix et proportions cités sont des indications historiques liées aux cas présentés.
Les poudres métalliques sont les matériaux de base pour les opérations de métallurgie des poudres telles que le pressage uni-axial et certains types de procédés de fabrication additive. Ces opérations ont déjà démontré que les caractéristiques des poudres métalliques jouent un rôle important dans les propriétés du produit final. Ce rôle dépend nécessairement de la qualité du matériau, du procédé d’impression et des coûts (coût du matériau par rapport au coût de la pièce imprimée 3D). Le présent article traite de ces points.
Les procédés de production influencent la forme, la composition et la taille des particules. Une morphologie proche de la sphère peut faciliter l’écoulement et l’étalement pour certains procédés, mais toutes les poudres de FA ne sont pas parfaitement sphériques. La granulométrie et les autres caractéristiques doivent convenir à la machine, au procédé et aux exigences de la pièce ; elles ne garantissent pas seules ses propriétés finales.
La qualité de la poudre métallique a-t-elle un impact sur son prix ?
Le prix des matériaux est certainement une question importante pour les fabricants parce que, comme nous l’avons dit plus tôt, ils constituent une partie essentielle des opérations de la métallurgie des poudres. Ainsi, leur choix est important pour obtenir la pièce finie désirée.
Pour évaluer une poudre moins chère, il faut comparer ses spécifications, sa traçabilité et son comportement dans le procédé, puis intégrer les rebuts et les contrôles au calcul économique.
Le prix varie avec l’alliage, le procédé de production, les volumes et les exigences de contrôle. Un prix élevé ne constitue pas à lui seul une preuve de qualité, pas plus qu’un prix bas ne démontre une inadaptation.
Pour LPW Technology, producteur de matériaux, la qualité d’une poudre implique « la constance de l’approvisionnement, une traçabilité totale et des performances fiables des matériaux. La cohérence de l’approvisionnement et la traçabilité sont des facteurs qui sont contrôlés par des systèmes de gestion de la qualité robustes, des méthodes de fabrication optimisées et des chaînes d’approvisionnement fiables ».
La caractérisation peut notamment porter sur la composition, la morphologie, la granulométrie, l’écoulement, la masse volumique apparente ou tassée et la porosité interne des particules. Les méthodes de mesure et les critères d’acceptation doivent être précisés.
Selon Valentina Vicario, directrice technique de MIMETE, producteur de poudres métalliques, parmi toutes ces caractéristiques, « la première qui influe sur le prix de la poudre est évidemment la composition chimique. Habituellement, les poudres de Fe sont moins chères que celles à base de Ni, Co et Ti. A l’intérieur de chaque «famille» d’alliages, il y en a des plus chers, généralement personnalisés et/ou caractérisés par une combinaison spéciale d’éléments, et d’autres «commodities», moins exigeants et plus répandus. En général, plus les exigences relatives aux différentes propriétés des poudres sont nombreuses et strictes (analyse chimique, granulométrie, densité, etc.), plus le coût est élevé car des procédés spéciaux personnalisés sont nécessaires et la planification de la production peut être fortement affectée. »
La réutilisation doit suivre une procédure qualifiée pour l’alliage et l’application, avec traçabilité des lots et contrôle des évolutions de la poudre. Il n’existe pas de nombre universel de cycles applicable à tous les matériaux et procédés.
Valentina Vicario de Mimete précise que « le recyclage des poudres est possible, mais ne peut être appliqué que pour certains alliages et pour certaines applications. Après une première utilisation, en fonction des paramètres d’impression (atmosphère protectrice), la poudre peut être affectée par l’oxydation et l’agglomération : un tamisage est toujours nécessaire pour éliminer les grappes et les particules déformées avant un nouveau procédé d’impression, tandis qu’une teneur plus élevée en oxygène pourrait théoriquement réduire les propriétés mécaniques des pièces imprimées lors du second cycle. »
Parlant de poudres métalliques destinées à la fabrication additive, LPW explique dans une étude de cas que : « Les niveaux d’oxygène dans la poudre sont principalement déterminés par les niveaux d’oxygène dans la matière première et par les paramètres du procédé et la pureté du gaz utilisés pendant l’atomisation. Pour cette raison, il est généralement plus coûteux de produire des poudres à faible teneur en oxygène. Il peut sembler plus rentable d’utiliser une poudre ayant une teneur plus élevée en oxygène mais à un coût moindre, mais cela n’est vrai que si l’utilisateur n’envisage pas de réutiliser la poudre métallique.»
LPW & Mimete soulèvent tous deux à travers ces points, une préoccupation qui a un impact à la fois sur le prix d’une poudre métallique et sur le prix du procédé d’impression : les gaz.
Les observations citées ne permettent pas d’accepter une teneur en oxygène hors spécification, même pour un seul usage. Un tamisage ne corrige pas une modification de la composition chimique.
L’impact des poudres métalliques sur la pièce imprimée finie
Lors d’une interview, Pierre Forêt, responsable de l’unité de FA chez Linde, nous a expliqué que les clients s’inquiètent souvent de l’achat de poudres métalliques, notamment le titane dont le prix peut atteindre 300€ le kg. Parlant d’un client qui avait besoin d’acheter une quantité importante de poudre, il a expliqué qu’en plus d’être chère, la poudre est très sensible à l’humidité, ce qui signifie qu’il est facile de perdre l’essence de la poudre ; et cela aurait un impact certain sur le processus d’impression. Afin d’éviter ce gaspillage d’argent, « la solution idéale était de développer un système qui pourrait à la fois stimuler la poudre et éliminer l’humidité. »
MIMETE souligne les relations entre les caractéristiques de la poudre, son comportement pendant la fabrication et les propriétés de la pièce. Le schéma ci-dessous les rassemble ; il ne constitue pas une règle universelle de prédiction.
La fusion sur lit de poudre peut produire des pièces de forte densité avec des paramètres adaptés. Ce résultat n’est ni automatique ni exclusif à la fusion par faisceau d’électrons ; la porosité finale doit être mesurée selon l’application.
Il faut distinguer la masse volumique du matériau de celle d’un volume de poudre. La masse volumique apparente d’une poudre inclut les espaces entre particules ; la masse volumique tassée dépend aussi du protocole de tassement. La porosité interne des particules est une caractéristique distincte.
Ces grandeurs aident à caractériser le lit de poudre, mais ne suffisent pas à prédire la densité de la pièce. L’apport d’énergie, les paramètres du procédé et les éventuels traitements ultérieurs interviennent aussi. Le travail de caractérisation du NIST examine plusieurs de ces propriétés et leur évolution lors de la réutilisation.
Qu’en est-il du coût final par pièce ?
Plusieurs facteurs peuvent influencer le coût final par pièce. Les systèmes de fabrication additive, les données machine, les matériaux, les paramètres des travaux de construction, les données de consommables ou même les calculs opérationnels sont quelques-uns des facteurs qui peuvent influencer le coût final par pièce.
Au niveau des matériaux, il convient de noter que les technologies de FA peuvent être complémentaires. En effet, les fabricants peuvent profiter des avantages apportés par deux technologies. En outre, l’utilisation croissante de la FA peut entraîner une réduction du coût des matières premières grâce à des économies d’échelle.
Selon les recherches de Douglas Thomas sur «les coûts, les avantages et l’adoption de la fabrication additive : un regard sur la chaîne logistique», « la réduction du coût des matières premières pourrait alors propager l’adoption de la fabrication additive. Il peut également y avoir des économies d’échelle sur le coût des matières premières si certaines matières premières deviennent plus courantes plutôt qu’une pléthore de matières différentes. »
La référence économique est l’étude de Douglas Thomas. Les économies d’échelle y sont envisagées comme une possibilité, pas comme une baisse de prix acquise.
En ce qui concerne les procédés métalliques de FA, Mimete estime que « le coût de la poudre peut affecter le coût final de la pièce de moins de 10% à 20-30% en fonction de l’alliage et de la complexité du composant imprimé ».
Ces proportions dépendent du périmètre de calcul et ne constituent pas un barème applicable à toute pièce.
LPW Technology, d’autre part, explique dans une étude de cas que deux autres facteurs clés qui influencent le coût final par pièce sont le nombre de constructions viables qui peut être réalisées à partir d’un seul lot de poudre, et le nombre de pièces qui peuvent être produites dans chaque construction. En effet, « le nombre de pièces produites dans une même construction est entièrement spécifique à l’application et dépend de la taille de la pièce et de la taille du volume de construction disponible. Le nombre de constructions qui peuvent être réalisées pour un seul lot dépend de la vitesse à laquelle la poudre dépasse les limites de la spécification. A ce stade, nous devons considérer l’influence de l’évolution de la poudre, comment un matériau diffère des spécifications initiales. »
En conclusion… ?
Le coût par pièce acceptable doit intégrer matière, fabrication, traitements et contrôles. Une réduction du prix d’achat peut être annulée par davantage de rebuts ou par une moindre réutilisation de la poudre.
La maîtrise des caractéristiques de la poudre et de leur stabilité d’un lot à l’autre contribue à la répétabilité de la fabrication.
Le choix doit donc associer exigences de la pièce, qualification du matériau et du procédé, et analyse économique du cas réel. Ni le prix de la poudre ni une caractéristique isolée ne suffisent pour décider.
LA NEWSLETTER HEBDOMADAIRE DE 3D ADEPT
L’industrie évolue. Gardez une longueur d’avance.
Chaque semaine, l’essentiel de la fabrication additive : actualités industrielles, dossiers de fond et applications concrètes, sélectionnés par notre rédaction. Vous êtes aussi les premiers informés de la sortie de chaque numéro de 3D ADEPT Mag.
Gratuit · Un e-mail par semaine · Désinscription à tout moment
En cliquant, vous chargez le formulaire de notre prestataire d’e-mailing, ainsi que ses statistiques et la protection anti-robots de Google. Votre inscription n’est enregistrée que si vous la validez. Consultez notre politique de confidentialité
