Vue d'ensemble de la fabrication additive du titane
Fabrication additive de titaneL'impression 3D du titane, également connue sous le nom d'impression 3D du titane, fait référence à diverses techniques de fabrication additive utilisées pour fabriquer des composants en titane, couche par couche, directement à partir de données de modèles 3D. Elle permet de créer des pièces complexes en titane avec une grande liberté géométrique qui sont soit impossibles, soit très coûteuses à fabriquer par des méthodes traditionnelles.
Le titane est un matériau idéal pour la fabrication additive en raison de son rapport poids/résistance élevé, de sa résistance à la corrosion, de sa biocompatibilité et de ses performances à haute température. Cependant, le traitement du titane à l'aide de techniques additives pose également des défis uniques en raison de sa réactivité chimique et de ses propriétés anisotropes.
Quelques informations clés sur la fabrication additive du titane :
- Les méthodes d'impression 3D couramment utilisées pour le titane sont la fusion sélective par laser (SLM), la fusion par faisceau d'électrons (EBM) et le frittage direct par laser (DMLS).
- Les alliages de titane tels que le Ti-6Al-4V sont les plus utilisés, mais le titane pur commercial et d'autres alliages peuvent également être imprimés.
- Permet la fabrication de pièces légères et complexes telles que des structures en treillis et des géométries à parois minces.
- Produit des pièces de forme presque nette, ce qui réduit les pertes et les coûts par rapport aux méthodes soustractives.
- Permet une flexibilité dans la conception et la consolidation des assemblages en une seule pièce imprimée.
- Un post-traitement tel que le pressage isostatique à chaud (HIP) et l'usinage est souvent nécessaire pour obtenir la finition et les propriétés matérielles souhaitées.
- Propriétés comparables ou supérieures à celles du titane corroyé, coulé et forgé, mais l'anisotropie est un problème.
- Les domaines d'application comprennent l'aérospatiale, les implants médicaux, l'automobile et les usines chimiques.
- Coût plus élevé que la fabrication traditionnelle, mais économique pour les petits lots et les pièces complexes.
Types de procédés de fabrication additive du titane
| Processus | Description | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Fusion sélective par laser (SLM) | Utilise un laser pour faire fondre et fusionner sélectivement des particules de poudre métallique, couche par couche. | Technologie la plus courante et la plus mature <br> Bonne précision et bon état de surface <br> Faible porosité des pièces imprimées |
| Fusion par faisceau d'électrons (EBM) | Utilise un faisceau d'électrons comme source de chaleur pour faire fondre le matériau. | Des taux de construction relativement rapides <br> Les pièces présentent une plus grande porosité que celles obtenues par SLM <br> Seuls les matériaux conducteurs peuvent être traités |
| Frittage direct de métaux par laser (DMLS) | Utilise un laser pour fritter des particules de poudre et créer des pièces finies. | Haute précision et résolution des détails <br> Parties légèrement poreuses nécessitant une infiltration |
| Dépôt d'énergie dirigée (DED) | Focalise l'énergie thermique pour fusionner les matériaux en les faisant fondre au moment où ils sont déposés. | Principalement utilisé pour ajouter des fonctionnalités et des réparations plutôt que pour des pièces complètes <br> Des taux de construction plus élevés mais une précision moindre |
Applications de la fabrication additive de titane
| L'industrie | Utilisations et exemples |
|---|---|
| Aérospatiale | Composants d'aéronefs et de moteurs tels que les collecteurs hydrauliques, les soupapes, les boîtiers et les supports |
| Médical | Implants dentaires et orthopédiques, instruments chirurgicaux |
| Automobile | Pièces légères comme les collecteurs, les roues de turbocompresseur |
| Chimique | Pièces de manutention des fluides résistantes à la corrosion, telles que les tuyaux, les vannes et les pompes |
| Défense | Composants porteurs légers pour véhicules et armes |
| Ingénierie générale | Pièces personnalisées à faible volume dans tous les secteurs d'activité |
Spécifications pour la fabrication additive de titane
| Paramètres | Valeurs typiques |
|---|---|
| Épaisseur de la couche | 20 – ; 100 μm |
| Taille minimale de l'objet | ~100 μm |
| Rugosité de surface, Ra | 10 – ; 25 μm, plus élevé en cas de surplomb |
| Volume de construction | 50 x 50 x 50 mm à 500 x 500 x 500 mm |
| Précision | ± 0,1 % à ± 0,2 % sur les dimensions |
| Porosité | 0,5 – ; 1% pour SLM, jusqu'à 5% pour EBM |
| Microstructure | Grains beta antérieurs fins et colonnaires avec des lattes alpha |
Considérations relatives à la conception des pièces AM en titane
- Optimiser l'orientation des pièces pour réduire les supports et éviter les surplombs
- Utiliser des angles autoportants supérieurs à 45° pour éviter les supports
- Les parois minces (≤ 1 mm) nécessitent des intensités laser et des vitesses de balayage plus élevées.
- Le diamètre minimum du trou doit être ≥ 1 mm
- Les canaux internes doivent être ≥ 2 mm pour l'élimination de la poudre.
- Éviter les volumes creux fermés en partie
- Assurer une épaisseur de paroi suffisante (2-4 mm) pour les parties porteuses.
- Permettre un post-traitement tel que l'usinage, le perçage, le polissage, etc.
Normes pour la fabrication additive du titane
| Standard | Description |
|---|---|
| ASTM F3001 | Spécification standard pour la fabrication additive de titane-6 aluminium-4 vanadium ELI (Extra Low Interstitial) par fusion sur lit de poudre |
| ASTM F2924 | Spécification standard pour la fabrication additive de titane-6 aluminium-4 vanadium par fusion sur lit de poudre |
| ASTM F3184 | Spécification standard pour la fabrication additive d'acier inoxydable par fusion sur lit de poudre |
| ISO/ASTM 52921 | Terminologie standard pour la fabrication additive – ; Coordonner les systèmes et les méthodologies d'essai |
| ASME BPVC Section IX | Code des chaudières et appareils à pression pour les qualifications en fabrication additive |
Fournisseurs de systèmes de fabrication additive de titane
| Fournisseur | Modèles d'imprimantes | Fourchette de prix de départ |
|---|---|---|
| EOS | EOS M 100, EOS M 290, EOS M 400 | $200,000 – $1,500,000 |
| Solutions SLM | SLM® 125, SLM® 280, SLM® 500, SLM® 800 | $250,000 – $1,400,000 |
| Systèmes 3D | ProX® DMP 200, ProX® DMP 300, ProX® DMP 320 | $350,000 – $1,250,000 |
| GE Additive | Concept Laser M2, M2 Multilaser, M2 Dual Laser | $400,000 – $1,200,000 |
| Velo3D | Sapphire, Sapphire XC | $150,000 – $600,000 |
Les prix varient en fonction du volume de construction, de la puissance du laser et des fonctions supplémentaires. Les coûts supplémentaires comprennent l'installation, la formation, les matériaux et le post-traitement.
Fonctionnement et entretien des imprimantes à titane
- Obtenir et suivre le manuel d’utilisation du fabricant et les précautions de sécurité.
- Nettoyer le système optique et les miroirs pour maintenir la puissance du laser et la qualité du faisceau.
- procéder périodiquement à l'étalonnage du laser et du système de balayage
- Effectuer des essais d'impression pour vérifier la qualité des pièces avant de lancer la production.
- Élaborer des procédures opérationnelles normalisées (POS) pour les paramètres d'impression.
- Stocker et manipuler correctement la poudre de titane dans un environnement inerte.
- Nettoyer régulièrement la chambre de construction afin d'éliminer les matières condensées et d'éviter toute contamination.
- Effectuer des opérations de maintenance préventive telles que le graissage des guides linéaires, le serrage des fixations et le remplacement des filtres.
Choix d'un fournisseur ou d'un prestataire de services pour la fabrication additive du titane
| Considérations | Détails |
|---|---|
| Expérience et expertise | Des années d'expérience, des opérateurs formés, une expertise en matière d'AM des métaux |
| Modèles et spécifications de l'imprimante | Évaluer le volume de construction, la précision, les matériaux, etc. |
| Certifications de qualité | ISO 9001, ISO 13485, accréditation Nadcap |
| Disponibilité des matériaux | Gamme d'alliages de titane, tailles de particules, alliages personnalisés |
| Capacités de post-traitement | Déliantage, HIP, usinage, polissage, revêtement |
| Essais et validation des pièces | Essais mécaniques, CND, métallographie |
| Soutien à la conception | Optimisation de la topologie, conception pour les directives AM |
| Capacité de production | Taille des lots, délais de livraison, évolutivité, capacité redondante |
| Coût | Taux horaires des machines, prix des matériaux, frais supplémentaires |
| Références et évaluations des clients | Retour d'information sur la qualité du service de la part des clients existants |
Avantages et inconvénients de la fabrication additive du titane
| Avantages | Limites |
|---|---|
| Possibilité de géométries complexes et légères | Coût plus élevé que la fabrication traditionnelle pour les grands volumes |
| Consolidation des assemblages et réduction du nombre de pièces | Précision dimensionnelle et finition de surface inférieures à celles de l'usinage |
| Délais plus courts pour les lots de faible volume | Un post-traitement est souvent nécessaire pour obtenir les propriétés souhaitées |
| Réduction des déchets de matériaux | Propriétés des matériaux anisotropes et contraintes résiduelles |
| Flexibilité dans les itérations de conception | Limitations de taille basées sur le volume de construction de l'imprimante |
| Fabrication en flux tendu | Difficultés d'élimination des poudres dans les canaux internes complexes |
| Adaptation et personnalisation des pièces | Porosité du matériau nécessitant un pressage isostatique à chaud |
Différences entre le moulage par injection de métal et la fabrication additive pour les pièces en titane
| Paramètres | Moulage par injection de métal | Fabrication additive |
|---|---|---|
| Processus | Mélange de poudre métallique fine avec des liants, moulage par injection, suivi d'un déliantage et d'un frittage | Fusion par couches de poudre de titane pour fabriquer des pièces directement à l'aide de lasers ou de faisceaux d'électrons |
| Complexité des pièces | Seules les géométries simples 2,5 D sont possibles | Des formes très complexes, telles que des treillis, peuvent être imprimées. |
| Taille de la pièce | Jusqu'à plusieurs pouces | Limité par le volume de construction, généralement inférieur à 20 pouces |
| Précision | Très élevé, jusqu'à ±0,5 % avec des tolérances faciles à respecter | Modéré, environ ±0,2 % sur les dimensions |
| Finition de la surface | Excellente grâce au processus de moulage | Surface moins bonne nécessitant un post-traitement supplémentaire |
| Propriétés mécaniques | Isotrope, moins de contraintes résiduelles | Propriétés anisotropes, contraintes résiduelles plus élevées |
| Options de matériaux | Alliages et mélanges limités | Large gamme de qualités de titane et d'alliages personnalisés |
| Frais d'établissement | Investissement initial élevé en outillage | Coûts de démarrage réduits |
| Production quantities | Volumes élevés, jusqu'à des millions d'unités | Optimisé pour les petits lots de 10 à 10 000 unités |
| Délai d'exécution | Délai plus long pour la fabrication de l'outillage | Délai plus court pour obtenir une pièce fonctionnelle, itérations de conception rapides |
Comparaison entre la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) pour l'AM du titane
| Paramètres | Fusion sélective par laser (SLM) | Fusion par faisceau d'électrons (EBM) |
|---|---|---|
| Source de chaleur | Faisceau laser focalisé | Faisceau d'électrons de grande puissance |
| Atmosphère | Gaz argon inerte | Le vide |
| Apports thermiques | Apport très localisé du laser | Une contribution plus large grâce à un faisceau d'électrons de grande taille |
| Précision | Plus élevé en raison de la taille plus fine du spot laser | Abaisser de 10 à 100 μm |
| Finition de la surface | Surface plus lisse, plus facile à polir | Grainier, porous surface finish |
| Vitesse de construction | Plus lent, environ 5-20 cm3/hr | Plus rapide, jusqu'à 45 cm3/hr |
| Alliages utilisés | Ti-6Al-4V, Ti commercialement pur, autres | Principalement Ti-6Al-4V |
| Coût | Coûts d'équipement et d'exploitation plus élevés | Coût de propriété réduit |
| Porosité | Porosité plus faible, de l'ordre de 0,5 %. | Une porosité plus élevée, de l'ordre de 5 %. |
| Microstructure | Grains beta antérieurs fins avec lattes alpha | Grains bêta plus grossiers et alpha’ ; martensite aciculaire |
| Post-traitement | Besoins moindres en matière de traitement thermique | HIP souvent nécessaire pour réduire la porosité |
| Propriétés mécaniques | Résistance et ductilité accrues | Résistance plus faible avec une anisotropie plus élevée |
| Applications | Aérospatiale, implants médicaux, automobile | Aérospatiale, biomédical |
En résumé, la méthode SLM offre une meilleure précision et un meilleur état de surface, tandis que la méthode EBM présente l'avantage de vitesses de fabrication plus rapides. Le processus de fusion par couches induit des contraintes résiduelles et des propriétés matérielles anisotropes dans les deux méthodes.
FAQ
Q. Quels sont les alliages de titane couramment utilisés dans la fabrication additive ?
A. Le Ti-6Al-4V est l'alliage de titane le plus utilisé, représentant plus de 50 % du titane AM. Les autres alliages comprennent le Ti-6Al-4V ELI, les grades 2 et 4 de titane commercialement purs, le Ti-6Al-7Nb et le Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr.
Q. Quels types de post-traitement sont généralement nécessaires pour les pièces en titane fabriquées de manière additive ?
A. Des étapes de post-traitement telles que le pressage isostatique à chaud (HIP), le traitement thermique, l'usinage de surface, le perçage, le polissage et l'application de revêtements sont généralement nécessaires pour obtenir la précision dimensionnelle, l'état de surface et les propriétés des matériaux souhaités.
Q. Comment les propriétés mécaniques du titane fabriqué additivement se comparent-elles à celles du titane corroyé et du titane moulé ?
A. Les pièces en titane AM peuvent égaler ou dépasser la résistance à la traction et à la fatigue du titane corroyé et moulé. Cependant, le titane AM présente une anisotropie dans ses propriétés en raison de la fabrication en couches, contrairement aux méthodes traditionnelles.
Q. Quelles sont les méthodes utilisées pour améliorer la résistance à la fatigue du titane fabriqué de manière additive ?
A. Les performances en fatigue peuvent être améliorées par l'application de la compression isostatique à chaud (HIP), du grenaillage de précontrainte, de la gravure chimique, de l'usinage et d'autres étapes de post-traitement afin d'induire des contraintes de compression, d'éliminer les défauts de surface et d'améliorer la microstructure.
Q. La fabrication additive permet-elle de réduire les coûts des pièces en titane par rapport aux méthodes traditionnelles ?
A. Pour les petites séries, l'AM offre une réduction significative des coûts par rapport à l'usinage à partir de billettes. Pour la production de masse, le coût élevé de la poudre signifie que l'AM reste plus cher que le moulage ou le forgeage.
Q. Comment la rugosité de la surface du titane AM se compare-t-elle à celle de l'usinage CNC ?
A. Les composants en titane imprimés ont une rugosité de surface plus élevée de 10 à 25 μm Ra par rapport aux surfaces usinées qui peuvent atteindre moins de 1 μm Ra. Un post-traitement supplémentaire est nécessaire si une finition de surface plus lisse est requise.
Q. Quelles sont les précautions à prendre lors de la manipulation de la poudre de titane ?
A. La poudre de titane doit être stockée dans un environnement inerte pour éviter l'oxydation. Les procédures de manipulation doivent empêcher la formation et l'inhalation de poussières. Les compartiments à poudre des machines doivent être purgés au gaz inerte et contrôlés à l'O2.
Q. Quels sont les avantages de l'utilisation de l'AM pour fabriquer des composants en titane plutôt qu'en acier ?
A. Le titane AM offre un rapport résistance/poids supérieur à celui de l'acier. Il offre également une meilleure résistance à la corrosion, une biocompatibilité et des performances à haute température, ce qui le rend adapté aux utilisations dans les domaines de l'aérospatiale, de la médecine et de l'automobile.
Q. Comment l'orientation de la construction affecte-t-elle les propriétés et la qualité des pièces en titane obtenues par AM ?
A. L'orientation des pièces peut avoir une incidence importante sur les contraintes résiduelles, l'état de surface, la précision géométrique et les propriétés mécaniques telles que la résistance et la ductilité. Les pièces sont souvent orientées de manière à minimiser les structures de support.
Q. Quelles sont les principales considérations à prendre en compte lors de la conception de pièces pour la fabrication additive à partir de titane ?
A. Les principaux éléments à prendre en compte lors de la conception sont les suivants : minimiser les surplombs, incorporer des supports de construction, maintenir l'épaisseur des parois entre 0,8 et 4 mm, prévoir des trous d'accès pour l'élimination de la poudre non fondue et prendre en compte les exigences de post-traitement.
Conclusion
La fabrication additive rend la production de composants complexes en titane viable et économique par rapport aux méthodes conventionnelles. Grâce aux progrès technologiques et à une plus grande adoption, la fabrication additive de titane permet des conceptions plus légères, plus solides et plus performantes dans des secteurs cruciaux. Toutefois, la recherche et le développement continuent de s'attaquer aux problèmes de processus tels que les contraintes résiduelles, l'anisotropie, l'état de surface et les normes. Avec une maturation plus poussée, l'AM a le potentiel de réaliser toutes les capacités du métal titane et de transformer la fabrication dans le monde entier.