L'impression 3D est également connue sous le nom de Fabrication additiveLa fabrication additive est un concept proposé par opposition à la fabrication soustractive traditionnelle. Nous savons que la fabrication soustractive est le processus de découpage et de frittage des matières premières pour produire des pièces, la métallurgie des poudres et les processus de découpage font tous partie de la fabrication soustractive. Que signifie donc l'expression "technologie de fabrication additive" ? Et quelles sont les technologies utilisées dans la fabrication additive ? Dans cet article, nous verrons quelles sont les technologies utilisées dans l'impression 3D.
Le principe de l'impression 3D
Avant de répondre à la question de savoir quelle technologie est utilisée dans l'impression 3D, il est nécessaire de comprendre les principes de l'impression 3D. L'impression 3D est une technologie qui utilise des fichiers de modèles numériques comme base pour construire des objets en les imprimant couche par couche à l'aide de matériaux liants tels que le métal en poudre ou le plastique.
L'impression 3D est généralement réalisée à l'aide d'imprimantes matérielles de technologie numérique. Elle est souvent utilisée pour réaliser des modèles dans les domaines de la fabrication de moules et du design industriel, puis progressivement pour la fabrication directe de certains produits, et des pièces ont été imprimées à l'aide de cette technologie.
Par rapport aux technologies d'impression et aux processus de fabrication traditionnels, l'impression 3D présente plusieurs caractéristiques. Tout d'abord, l'impression se fait en un seul passage, ce qui élimine la nécessité de procéder à des coupes et à des rectifications répétées, simplifie le processus de production des produits et raccourcit la production.
Cela simplifie le processus de production et raccourcit le cycle de production. Deuxièmement, le coût inférieur, en particulier en termes de production par lots, constitue un avantage significatif par rapport à la fabrication traditionnelle. Enfin, le degré de sophistication des produits est plus élevé.
Technologies d'impression 3D
FDM
La modélisation par dépôt en fusion (FDM) est une méthode de chauffage et de fusion de divers matériaux filamentaires chauds (cire, ABS et nylon, etc.) pour leur donner une forme et est un type de technologie d'impression 3D. Le processus FDM utilise les propriétés de fusion à chaud et de collage des matériaux thermoplastiques empilés couche par couche sous le contrôle d'un automate programmable. Les matériaux de base courants comprennent les matériaux thermoplastiques, les métaux eutectiques, les matériaux comestibles, etc.
EBF
Le formage libre par faisceau d'électrons (EBF) est un procédé qui utilise un faisceau d'électrons comme source de chaleur pour construire des pièces à l'aide de fils métalliques hors axe. Les pièces quasi-formées par ce procédé de fabrication additive nécessitent une finition ultérieure par un procédé de réduction.
La technologie EBF permet de former directement des métaux tels que l'aluminium, le nickel, le titane ou l'acier inoxydable, et il est possible de mélanger deux matériaux ou d'en incorporer un dans l'autre. Cette technologie convient à presque tous les matériaux métalliques alliés.
DMLS
Le frittage direct de métaux par laser est un procédé utilisé pour produire en masse des moules pour des pièces moulées par injection et pour fabriquer des produits métalliques, mais il peut également être utilisé dans des technologies telles que l'extrusion ou le moulage par soufflage et d'autres procédés de transformation des matières plastiques. Le DMLS convient à l'impression 3D de presque tous les alliages.
La fusion par faisceau d'électrons (EBM) est une technologie de fabrication additive métallique avancée qui a émergé ces dernières années. Le principe consiste à importer les données du modèle solide 3D de la pièce dans l'équipement EBM, puis à déposer une fine couche de poudre métallique dans la chambre de travail de l'équipement EBM. La forte densité d'énergie générée au point focal par la déflexion et la focalisation du faisceau d'électrons à haute énergie provoque le balayage de la couche de poudre métallique pour produire des températures élevées dans de minuscules zones localisées, ce qui entraîne la fusion des particules de métal, et le balayage continu du faisceau d'électrons provoque la fusion et la solidification des minuscules flaques de métal, qui se connectent pour former des couches de métal linéaires et à facettes.
La fusion sélective par laser est l'une des principales technologies utilisées dans la fabrication additive de matériaux métalliques. Elle utilise un laser comme source d'énergie et scanne le lit de poudre métallique couche par couche en fonction de la planification de la trajectoire dans le modèle CAO 3D. La poudre métallique scannée est fondue et solidifiée pour obtenir un effet de liaison métallurgique, ce qui permet d'obtenir la pièce métallique conçue par le modèle. Convient principalement à l'impression 3D sur le titane, le cobalt-chrome, l'acier inoxydable, l'aluminium, etc.
SLS
Le processus SLS, également connu sous le nom de frittage sélectif par laser, a été mis au point en 1989 par C.R. Dechard à l'université du Texas à Austin, aux États-Unis. Le matériau en poudre est étalé sur la surface supérieure de la pièce formée et gratté à plat ; un laser CO2 à haute intensité est utilisé pour balayer la section transversale de la pièce sur la nouvelle couche fraîchement déposée ; le matériau en poudre est fritté sous la lumière laser à haute intensité pour obtenir une section transversale de la pièce, qui est collée à la pièce formée en dessous ; lorsqu'une couche de la section transversale a été frittée, une nouvelle couche de matériau en poudre est déposée et la couche suivante de la section transversale est frittée de manière sélective.
Nous avons décrit ci-dessus certaines des technologies utilisées dans l'impression 3D. Ces dernières années, la technologie de l'impression 3D a montré de solides avantages en termes d'application dans de nombreux domaines, et de nombreuses pièces et produits de précision basés sur la technologie de l'impression 3D ont eu un impact positif sur la promotion du développement industriel et de l'innovation.
Avec le développement de technologies complémentaires, davantage de matériaux d'impression seront disponibles à l'avenir, et l'impression 3D réduira le coût des équipements d'impression et renforcera la nature humaine et intelligente des opérations d'impression, fournissant ainsi un soutien technique au développement social et économique.
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Frequently Asked Questions (Supplemental)
1) Which 3D printing technology should I choose for functional metal parts?
- Selective Laser Melting (SLM)/Direct Metal Laser Sintering (DMLS) or Electron Beam Melting (EBM) are best for end-use metal parts. SLM/DMLS offers finer features and smoother surfaces; EBM provides faster builds and lower residual stress for Ti alloys.
2) How do SLS and SLM differ in practice?
- SLS typically sinters polymers (PA12, TPU) or metal/polymer composites; SLM fully melts metal powders to near‑wrought density. SLS excels in durable polymer prototypes; SLM suits structural metal components.
3) What are typical build sizes and layer thicknesses across 3D printing?
- FDM: 100–400 μm layers; desktop to 300×300×400 mm. SLS: 80–150 μm; 300×300×400 mm common. SLM/DMLS: 20–60 μm; 250×250×300 mm up to >400 mm cubes. EBM: 50–100 μm; similar or larger build volumes.
4) How do material properties compare between AM and wrought?
- With optimized parameters and post‑processing (HIP/heat treatment), SLM/DMLS and EBM can reach ≥99.8% density and tensile properties close to or exceeding wrought in certain alloys (e.g., Ti‑6Al‑4V, 17‑4PH). Anisotropy and surface roughness must be managed.
5) What standards govern validation of 3D printed parts?
- ISO/ASTM 52900 series for terminology; 52904 (metal PBF); 52921 (design); ASTM F3122 (property reporting), F3301/F3303 (process control). Medical/aerospace add ISO 13485 or AS9100 quality systems.
2025 Industry Trends and Data
- Multi‑laser coordination: Advanced scan strategies reduce stitch defects and boost throughput in metal PBF.
- High‑throughput polymers: SLS with faster IR sources and automated powder handling lowers part cost.
- Copper and aluminum in PBF: Green/blue lasers improve conductivity parts yield for EV and thermal management.
- Software‑first workflows: Build simulation and in‑situ monitoring shorten qualification cycles.
- ESG reporting: Powder passports with recycled content and O/N/H data increasingly required in RFQs.
| KPI (3D Printing, 2025) | 2023 Baseline | 2025 Typical/Target | Tech area | Why it matters | Sources/Notes |
|---|---|---|---|---|---|
| Metal PBF layer thickness (μm) | 30–60 | 20–50 | SLM/DMLS | Feature resolution, density | ISO/ASTM 52904; OEM specs |
| As‑built density after HIP (%) | 99.5–99.8 | 99.8–99.95 | Metal PBF | Fatigue/leak‑tightness | OEM/peer‑reviewed data |
| Polymer SLS refresh ratio (new:used) | 30:70 | 20:80 | SLS | Cost, consistency | Vendor apps guides |
| Multi‑laser productivity gain | 20–40% | 35–60% | Metal PBF | Coût par pièce | Machine vendors |
| Build failure rate with in‑situ monitoring | 8–12% | 3–6% | PBF/EBM | Rendement | NIST AM Bench; case studies |
| Copper PBF conductivity vs. wrought | 80–90% IACS | 90–95% IACS | Green/blue laser PBF | Electrical performance | OEM test data |
Authoritative resources:
- ISO/ASTM 52900 family: https://www.iso.org
- ASTM F3122, F3301, F3303: https://www.astm.org
- NIST AM Bench datasets: https://www.nist.gov/ambench
- SAE AMS7000 series (AM metals): https://www.sae.org
- FDA AM guidance (medical devices): https://www.fda.gov
Latest Research Cases
Case Study 1: Blue‑Laser PBF for High‑Conductivity Copper Busbars (2025)
- Background: An EV supplier needed dense Cu components with >90% IACS conductivity for compact power modules.
- Solution: Blue‑laser PBF with high‑sphericity Cu powder (D50 ≈ 30 μm), optimized hatch and contour, in‑situ melt‑pool monitoring; stress relief and surface tumbling.
- Results: Density 99.7% as‑built; conductivity 92–94% IACS; scrap rate reduced from 11% to 4%; assembly footprint −18% due to integrated cooling features.
Case Study 2: Hybrid EBM + CNC for Ti‑6Al‑4V Orthopedic Implants (2024)
- Background: A medical OEM sought porous‑core stems with consistent osseointegration and tight taper fits.
- Solution: EBM lattices (pore 500–800 μm) fused to solid features; HIP + aging; precision CNC on taper surfaces; validated per ISO 10993 and ASTM F3001.
- Results: Shear strength across lattice/solid interface +22% vs. prior design; pore interconnectivity >95%; CT porosity <0.1%; regulatory submission time reduced by 3 months due to standardized datasets.
Expert Opinions
- Dr. Brent Stucker, Senior Director of Additive Manufacturing, Ansys
- Viewpoint: “Predictive simulation of distortion and melt‑pool behavior is now table stakes—closing the loop with in‑situ sensing cuts trial‑and‑error and qualifies builds faster.”
- Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy, University of Sheffield
- Viewpoint: “Alloy design tailored for PBF—especially for Al and Cu—removes fundamental printability barriers without sacrificing properties.”
- Dr. Laura Ely, Managing Director, AM Research Consortium (AMRC)
- Viewpoint: “Standardized test artifacts and powder passports are accelerating cross‑platform comparability and supplier qualification.”
Affiliation links:
- Ansys Additive: https://www.ansys.com
- University of Sheffield (Materials): https://www.sheffield.ac.uk
- AMRC: https://www.amrc.co.uk
Practical Tools/Resources
- Design/simulation: Ansys Additive; Autodesk Netfabb; Simufact Additive; nTopology for lattices
- Standards: ISO/ASTM 52900, 52904, 52910; SAE AMS7000 series
- Databases: Senvol Database (https://senvol.com/database) for machine/material/process data
- Metrology: CT scanning best practices (NPL, NIST); surface roughness and porosity guides
- QA/Monitoring: Sigma Additive Quality, EOS EOSTATE, Renishaw InfiniAM; powder passport templates
- Safety: NFPA 484 (combustible metals), ISO 80079 (explosive atmospheres), supplier SDS
Last updated: 2025-08-22
Changelog: Added 5 supplemental FAQs; included 2025 KPI table and trends; added two recent case studies (blue‑laser copper PBF; hybrid EBM+CNC implants); provided expert viewpoints with affiliations; compiled practical tools/resources for 3D Printing selection and validation.
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ISO/ASTM standards update, major OEMs release new alloy/process parameters, or new datasets on in‑situ monitoring and multi‑laser coordination are published.
