Au tout début, lorsque les fabricants ont commencé à utiliser la fabrication additive (FA), le marché manquait cruellement de matériaux spécifiquement conçus pour cette technologie. Les fabricants sous contrat travaillaient donc avec des restes et des déchets aux spécifications générales, ce qui limitait le succès de la qualité des pièces.

Aujourd’hui, les producteurs de matériaux ont mis au point des poudres métalliques en tenant en compte les spécificités de la FA. Toutefois, leur coût élevé a fait augmenter la demande de recyclage de la poudre non fondue, en particulier dans les procédés de FA à lit de poudre. Pour les fabricants qui sont prêts à explorer des stratégies de réutilisation ou de recyclage, répondre à cette demande signifie également permettre une performance de durabilité – ou au moins permettre un cadre environnemental de durabilité. Plus important encore, répondre à cette demande nécessite de tirer parti de ressources interdisciplinaires qui vont au-delà de la simple expertise des experts en matériaux.

Le présent article a pour ambition de discuter de certaines technologies et stratégies de récupération/réutilisation de la poudre qui pourraient être utilisées pour sauver la poudre métallique tout en tenant compte de ces ressources interdisciplinaires. Il pourrait servir de ressource complémentaire au dossier « Fabrication additive: Comprendre le processus d’élimination des poudres métalliques« , car il se concentrera également sur l’importance de la poudre récupérée en ce qui concerne la durabilité et la viabilité des matériaux.

Récupération des poudres : « Pourquoi ? »

Établissons quelques faits essentiels : si l’un des avantages de la FA est que la poudre métallique peut être recyclée pour la production suivante, il convient de noter que la recyclabilité dépend du type de matériau utilisé.

Du point de vue de la fabrication, la plupart des productions révèlent que seule une petite quantité de la poudre qui entre dans la chambre de fabrication est fondue en un composant, ce qui signifie qu’une quantité importante de poudre peut être réutilisée ou mise au rebut.

Du point de vue des coûts, la récupération et la réutilisation de la poudre non fondue peuvent apporter un large éventail d’avantages, notamment en termes de rentabilité. En effet, un opérateur qui ne réutilise pas la poudre, la jettera et ajoutera cette perte au coût global de la pièce qui a été produite (et cela restera une des raisons pour lesquelles les pièces imprimées en 3D en métal sont dites très chères). Cela signifie que le recyclage de la poudre permet de gérer le stock de poudre, et de diminuer le coût global par pièce.

Du point de vue de la durabilité, l’utilisation de la même matière première permet de maximiser le rendement et d’éviter les déchets inutiles dont l’élimination peut également s’avérer très coûteuse.

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.). »

Ce que nous comprenons de la déclaration d’Hartmann concernant la durabilité, c’est que non seulement elle peut soulever plusieurs questions tout au long du cycle de vie de produits spécifiques, mais elle nécessite également de comprendre le cycle de vie de la production de poudre métallique. Ce dernier peut inclure l’extraction pour former un produit métallique pur ou allié, certaines étapes de traitement supplémentaires spécifiques pour une production de poudre appropriée et l’analyse de la spécificité de la poudre pendant la production, voire la validation pour les producteurs d’équipements d’impression 3D métalliques personnalisés.

Figure : Cette figure présente un organigramme des étapes du cycle de vie de la production de poudre (adapté de Dawes et al.], où le procédé PREPplasma rotating electrode, REP-rotating electrode process, EIGA-electrode induction melting gas atomisation) ont été exploités. Crédit : étude intitulée : Credit: Study “A Deep Look at Metal Additive Manufacturing Recycling and Use Tools for Sustainability Performance”

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.

En fonction de votre situation, chacune de ces étapes ne sera pas forcément la plus importante à privilégier. En effet, si vous êtes un producteur de matériaux qui utilise des déchets pour produire de la poudre, vous vous concentrerez principalement sur l’atomisation – sans compter que, parfois, les producteurs de matériaux ont leur propre technologie qui met l’accent sur d’autres aspects de la production. Cependant, si vous êtes un fabricant de pièces, votre étape la plus importante devrait probablement être de vous concentrer sur le post-traitement.

Récupération de la poudre : « Comment » et « Quoi » ?

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 ?

À ce niveau, les considérations (le « Quoi ») qui doivent être prises en compte doivent justifier le choix du processus de récupération de la poudre utilisé pour recycler les matériaux.

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.

Selon le CEO de Solukon, pour minimiser les risques d’avoir un matériau dont les caractéristiques seront différentes de la matière première, les opérateurs doivent se concentrer sur les aspects qui peuvent influencer ces caractéristiques pendant le processus de récupération de la poudre :

« 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 ».

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.

Intérieur de la machine de dépoudrage de Solukon. Crédit: Solukon

Pour l’entreprise, le processus de recyclage de la poudre doit être conçu comme suit :

«  – 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. »

Image: Solukon

Même si un processus automatisé de recyclage de la poudre suggère que la poudre réutilisée après reconditionnement (processus de tamisage) peut avoir des caractéristiques similaires à celles de la poudre métallique brute, il convient de noter que ces caractéristiques peuvent varier d’un processus de FA métal spécifique à un autre. Ainsi, un opérateur qui utilise des machines de FA métal avec un aspirateur par exemple, pourrait obtenir un matériau aux propriétés différentes.

En outre, les machines de FA telles que celle de Renishaw qui intègrent un tamis interne ont des méthodes de réutilisation spécifiques.

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.

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.

« Ce graphique montre comment la chimie du vrac peut changer sur une période de réutilisation. Au début, il y a une augmentation générale de l’oxygène mesuré dans la poudre car les particules affectées par la chaleur commencent à se mélanger à la poudre vierge. La deuxième phase présente une teneur en oxygène stable, car la poudre en vrac est rafraîchie avec de la poudre vierge après chaque construction et le niveau global d’oxygène dans la poudre en vrac reste conforme aux spécifications. La troisième phase montre ce qui se passe lorsque la poudre vierge n’est pas utilisée pour rafraîchir le lot de poudre ; il y a une augmentation progressive de la teneur en oxygène jusqu’à ce que la poudre en vrac soit en dehors des spécifications. Dans cet exemple, le matériau est l’Inconel 718 ». Image de Renishaw.

Comment considérer la durabilité ?

« 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. »

Nous ne pourrions pas être plus d’accord avec lui, mais il devrait y en avoir plus, car l’industrie est continuellement à la recherche de données clés qui pourraient l’aider à comprendre la durabilité du cycle de vie dans les processus de FA métal, les processus de post-traitement et les processus de production de matériaux, des données clés qui sont basées sur des méthodes démonstratives d’évaluation du cycle de vie (LCA) et des inventaires basés sur des données.

Force est de constater qu’à l’heure actuelle, très peu de ressources sont disponibles pour les soutenir. « 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 », assure le CEO.

En attendant, que devons-nous faire ?

Ce contenu exclusif a initialement été publié dans le numéro de Septembre/Octobre 2021 de 3D ADEPT Mag. Image de Une: Solukon