Entretien publié en 2023, initialement dans le numéro de mai/juin de 3D ADEPT Mag. John O’Hara y présente le dépôt de fil par faisceau d’électrons de Sciaky, ses applications grand format et les enjeux de qualification. Les dimensions et perspectives citées correspondent à cette période.
La fabrication additive métallique de grandes pièces fait appel à plusieurs procédés. Le dépôt sous énergie concentrée (DED) peut notamment utiliser un faisceau d’électrons et du fil. C’est le principe de l’EBAM® de Sciaky étudié dans cet entretien ; il se distingue des systèmes à lit de poudre, qu’ils utilisent un laser ou un faisceau d’électrons.
Dans le procédé de Sciaky, un faisceau d’électrons crée un bain de fusion alimenté par du fil, sous vide. La température du bain dépend de l’alliage et ne doit pas être confondue avec une température de préchauffage du lit de poudre. La valeur de 1 000 °C ne décrit donc pas une limite générale de fusion. Les propriétés finales dépendent du matériau et de toute la chaîne de fabrication.
L’expression fabrication additive par faisceau d’électrons couvre différentes architectures. Toutes ne visent pas les mêmes volumes ou géométries. Ce dossier porte sur les systèmes à fil de Sciaky, issus de son expérience du soudage par faisceau d’électrons ; il ne dresse pas une liste exhaustive des fabricants.
L’historique de Sciaky situe sa création en 1939, son premier système de soudage par faisceau d’électrons en 1957 et le début de ses recherches sur le dépôt de fil en 1995. L’offre de service Electron Beam Direct Manufacturing apparaît en 2009, suivie des systèmes EBAM clés en main en 2014.
Au moment de l’entretien, en 2023, Sciaky était présenté comme une filiale de Phillips Service Industries, avec une cinquantaine de personnes à Chicago et des équipements déployés dans plusieurs pays. John O’Hara, alors directeur des ventes globales, explique ci-dessous les spécificités techniques et les obstacles économiques rencontrés.
Principales spécifications d’EBAM pour les pièces de grande taille
Parmi les exemples rapportés dans le dossier figuraient un longeron d’avion en titane d’environ 3,7 m et une pièce aérospatiale de plus de 1 360 kg, associée à un temps de fabrication annoncé de 120 heures. Ces données illustrent des projets particuliers ; elles ne constituent ni une cadence garantie ni un délai incluant automatiquement tous les traitements et contrôles.
Une chose que nous avons rapidement apprise chez O’Hara est que la taille peut toujours être faite sur mesure. Puisqu’elle construit ses systèmes de soudage sur mesure, il était évident pour l’équipe de construire des chambres sur mesure pour ses machines EBAM. « Les machines EBAM sont généralement fabriquées sur commande, avec des enveloppes de travail allant jusqu’à 6000 mm x 2000 mm x 1800 mm pour notre plus grande machine, et notre machine la plus courante avec une enveloppe de travail de 2000 mm x 1100 mm x 1500 mm. L’EBAM est toujours réalisé dans un environnement sous vide, ce qui est idéal pour les métaux réactifs tels que le titane, le nickel et les métaux réfractaires », explique O’Hara.
Pour fabriquer des pièces métalliques comparables à celles obtenues par des méthodes de fabrication traditionnelles telles que le moulage, les concepteurs et les ingénieurs doivent garder à l’esprit un certain nombre de contraintes qu’ils devront surveiller et traiter au niveau de la conception et pendant le processus de fabrication.
L’une des considérations au niveau de la conception est que le procédé « EBAM doit toujours maintenir le bain de fusion dans une orientation horizontale et doit toujours imprimer sur du métal existant. Cela réduit les possibilités d’imprimer des cavités creuses. La résolution des caractéristiques d’EBAM est au mieux de 2 mm à des taux de dépôt faibles, mais elle est généralement de 8 à 12 mm », selon O’Hara.
L’emploi de fil peut réduire certaines pertes de matière et faciliter la manutention par rapport aux poudres. La disponibilité, le prix et la qualification dépendent toutefois de la nuance et du fournisseur. La comparaison économique doit également intégrer l’énergie, les surépaisseurs déposées, l’usinage et les contrôles.
Les variations de dépôt peuvent affecter la géométrie et la métallurgie. Sciaky présente IRISS®, pour Interlayer Realtime Imaging & Sensing System, comme un contrôle en boucle fermée qui mesure le procédé et ajuste notamment la puissance du faisceau, l’alimentation en fil et les mouvements. Cette surveillance ne dispense pas de qualifier le procédé et de contrôler la pièce.
L’EBAM fournit une préforme proche de la géométrie finale. Il ne supprime pas le post-traitement : la documentation de Sciaky prévoit traitement thermique, usinage de finition et inspection. Leur nature dépend de l’alliage et de l’application. Ces opérations font partie de l’évaluation industrielle et économique.
Qualification, investissement et recours aux prestataires
Pour O’hara, le principal défi consiste à financer la qualification de sa technologie métallique pour les processus de production.
« En tant que fabricant, nous cherchons toujours à réduire les coûts. Cependant, quel que soit le secteur, la fabrication d’une grande pièce reste coûteuse. Le plus grand défi pour les machines grand format est qu’elles sont très chères. L’investissement que vous faites est assez important dans le cycle de développement et l’investissement opérationnel devrait être proportionnel au type de pièces que vous voulez produire », souligne le directeur des ventes globales.
Même si l’EBAM est loin d’être adopté par rapport au procédé LPBF, « ces deux technologies ne se chevauchent pas et ne sont pas en concurrence », ajoute-t-il. « Le procédé LPBF ne peut pas produire des pièces de la taille d’EBAM, et l’EBAM n’est pas économique à utiliser sur des pièces dont la taille est idéale pour le procédé LPBF. Le procédé LPBF est disponible depuis plus longtemps et beaucoup plus d’entreprises travaillent à l’amélioration de la technologie. »
Cette comparaison exprime le positionnement de Sciaky dans l’entretien de 2023. Le dossier ne fournit pas de données quantitatives établissant un retard global d’adoption, et les domaines de pertinence peuvent se recouper selon les équipements. Taille, finesse des détails, productivité et coût complet doivent être comparés pour la pièce visée.
La question à un million de dollars qui vient ensuite est la suivante : comment faire face à cette situation ? Sensibiliser les utilisateurs au potentiel de l’EBAM pour les pièces de grande taille est certainement une étape à explorer, mais ce ne devrait pas être la seule. Une grande partie du travail réside également dans le développement d’applications qui ne sont pas toujours exploitées dans les industries aux exigences les plus strictes. En fin de compte, plus les exigences de qualification sont élevées, plus il faudra de temps pour réaliser les applications.
Par ailleurs, l’une des voies que les adoptants pourraient toujours emprunter – quel que soit leur secteur d’activité – est celle qui mène au fournisseur de services de FA.
« La plupart des gens souhaitent travailler avec des fournisseurs de services de FA. La plupart des machines que nous vendons sont utilisées pour des applications internes. Cependant, Sciaky peut prendre en charge un contrat de production. Nous aidons nos clients à justifier le coût de la machine, à développer la technologie pour leur propre usage ainsi que les propriétés des matériaux idéales pour leurs applications », conclut O’Hara.
Cet article a été initialement publié dans le numéro de Mai/Juin de 3D ADEPT Mag.
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