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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Foire aux questions (complémentaire)
1) Quelle technologie d'impression 3D dois-je choisir pour fabriquer des pièces métalliques fonctionnelles ?
- La fusion sélective par laser (SLM)/le frittage direct de métal par laser (DMLS) ou la fusion par faisceau d'électrons (EBM) constituent les meilleures solutions pour les pièces métalliques destinées à une utilisation finale. La technologie SLM/DMLS permet d'obtenir des détails plus fins et des surfaces plus lisses ; la technologie EBM offre une vitesse de fabrication plus élevée et des contraintes résiduelles plus faibles pour les alliages de titane.
2) En quoi les procédés SLS et SLM diffèrent-ils concrètement ?
- Le procédé SLS permet généralement le frittage de polymères (PA12, TPU) ou de composites métal-polymère ; le procédé SLM fait fondre entièrement les poudres métalliques jusqu'à atteindre une densité proche de celle du métal forgé. Le SLS est particulièrement adapté à la fabrication de prototypes en polymère durables ; le SLM convient aux composants métalliques structurels.
3) Quelles sont les dimensions de fabrication et les épaisseurs de couche habituelles en impression 3D ?
- FDM : couches de 100 à 400 μm ; formats allant du format de bureau à 300 × 300 × 400 mm. SLS : 80 à 150 μm ; 300 × 300 × 400 mm (format courant). SLM/DMLS : 20 à 60 μm ; 250 × 250 × 300 mm jusqu’à des cubes de plus de 400 mm. EBM : 50 à 100 μm ; volumes d’impression similaires ou supérieurs.
4) Quelles sont les différences entre les propriétés des matériaux issus de la fabrication additive et celles des matériaux forgés ?
- Grâce à des paramètres optimisés et à un post-traitement (HIP/traitement thermique), les procédés SLM/DMLS et EBM peuvent atteindre une densité ≥ 99,81 TP3T et des propriétés de résistance à la traction proches ou supérieures à celles des pièces forgées pour certains alliages (par exemple, Ti-6Al-4V, 17-4PH). L'anisotropie et la rugosité de surface doivent être maîtrisées.
5) Quelles sont les normes qui régissent la validation des pièces imprimées en 3D ?
- Série ISO/ASTM 52900 pour la terminologie ; 52904 (fabrication par dépôt de poudre métallique) ; 52921 (conception) ; ASTM F3122 (rapport sur les propriétés), F3301/F3303 (maîtrise des procédés). Pour les secteurs médical et aérospatial, ajouter les systèmes qualité ISO 13485 ou AS9100.
Tendances et données du secteur pour 2025
- Coordination multi-laser : des stratégies de balayage avancées permettent de réduire les défauts de soudure et d'augmenter le rendement dans le procédé PBF pour les métaux.
- Polymères à haut débit : la technologie SLS, associée à des sources IR plus rapides et à une gestion automatisée de la poudre, permet de réduire le coût des pièces.
- Le cuivre et l'aluminium dans la fabrication par dépôt de poudre (PBF) : les lasers verts/bleus améliorent le rendement de production des pièces conductrices destinées aux véhicules électriques et à la gestion thermique.
- Flux de travail axés sur les logiciels : la simulation et la surveillance in situ permettent de raccourcir les cycles de qualification.
- Rapports ESG : les « passeports de poudre » indiquant la teneur en matériaux recyclés et les données O/N/H sont de plus en plus souvent exigés dans les appels d'offres.
| KPI (Impression 3D, 2025) | Référence 2023 | 2025 : Valeurs types/objectifs | Secteur technologique | Pourquoi c'est important | Sources/Notes |
|---|---|---|---|---|---|
| Épaisseur de la couche métallique PBF (μm) | 30–60 | 20–50 | SLM/DMLS | Résolution des caractéristiques, densité | ISO/ASTM 52904 ; spécifications OEM |
| Densité telle que construite après HIP (%) | 99.5–99.8 | 99.8–99.95 | PBF métallique | Fatigue/étanchéité | Données provenant des fabricants d'équipements d'origine (OEM) ou issues d'une revue par les pairs |
| Taux de renouvellement du SLS polymère (neuf/usagé) | 30:70 | 20:80 | SLS | Coût, cohérence | Guides sur les applications des éditeurs |
| Gain de productivité grâce à l'utilisation de plusieurs lasers | 20–40% | 35–60% | PBF métallique | Coût par pièce | Fournisseurs de machines |
| Taux de défaillance des ouvrages grâce à la surveillance in situ | 8–12% | 3–6% | PBF/EBM | Rendement | NIST AM Bench; case studies |
| Conductivité du cuivre PBF par rapport au cuivre forgé | 80–90% IACS | 90–95% IACS | Laser vert/bleu PBF | Performances électriques | Données de test des équipementiers |
Sources faisant autorité :
- Série de normes ISO/ASTM 52900 : https://www.iso.org
- ASTM F3122, F3301, F3303 : https://www.astm.org
- Ensembles de données NIST AM Bench : https://www.nist.gov/ambench
- Série SAE AMS7000 (AM Metals) : https://www.sae.org
- Guide de la FDA sur les AM (dispositifs médicaux) : https://www.fda.gov
Dernières études de cas
Étude de cas n° 1 : FAB par laser bleu pour des barres omnibus en cuivre à haute conductivité (2025)
- Contexte : Un fournisseur du secteur des véhicules électriques avait besoin de composants en cuivre à haute densité présentant une conductivité IACS supérieure à 90% pour la fabrication de modules de puissance compacts.
- Solution : PBF au laser bleu avec de la poudre de cuivre à haute sphéricité (D50 ≈ 30 μm), maillage et contour optimisés, surveillance in situ du bain de fusion ; élimination des contraintes et polissage de surface.
- Résultats : densité de 99,71 TP3T en état réel ; conductivité de 92 à 941 TP3T IACS ; taux de rebut réduit de 111 TP3T à 41 TP3T ; encombrement de l'ensemble réduit de 181 TP3T grâce aux dispositifs de refroidissement intégrés.
Étude de cas n° 2 : Combinaison de l'EBM et de la CNC pour la fabrication d'implants orthopédiques en Ti-6Al-4V (2024)
- Contexte : Un fabricant OEM de dispositifs médicaux recherchait des tiges à noyau poreux offrant une ostéointégration constante et un ajustement conique serré.
- Solution : réseaux EBM (pores de 500 à 800 μm) fusionnés à des éléments solides ; traitement HIP + vieillissement ; usinage CNC de précision sur les surfaces coniques ; validés conformément aux normes ISO 10993 et ASTM F3001.
- Résultats : résistance au cisaillement à l'interface treillis/solide : +221 TP3T par rapport à la conception précédente ; interconnectivité des pores : >951 TP3T ; porosité CT : <0,11 TP3T ; délai de dépôt du dossier réglementaire réduit de 3 mois grâce à la standardisation des ensembles de données.
Avis d'experts
- Dr Brent Stucker, directeur principal de la fabrication additive chez Ansys
- Point de vue : “ La simulation prédictive de la déformation et du comportement du bain de fusion est désormais un incontournable : boucler la boucle grâce à la détection in situ permet d’éviter les essais et erreurs et d’homologuer plus rapidement les pièces. ”
- M. Iain Todd, professeur de métallurgie à l'université de Sheffield
- Point de vue : “ La conception d’alliages spécialement adaptés à la technologie PBF — en particulier pour l’aluminium et le cuivre — permet de lever les obstacles fondamentaux à l’imprimabilité sans compromettre les propriétés des matériaux. ”
- Dr Laura Ely, directrice générale de l'AM Research Consortium (AMRC)
- Point de vue : “ Les artefacts de tests standardisés et les passeports de poudre accélèrent la comparabilité entre plateformes et la qualification des fournisseurs. ”
Liens d'affiliation :
- Ansys Additive : https://www.ansys.com
- Université de Sheffield (Sciences des matériaux) : https://www.sheffield.ac.uk
- AMRC : https://www.amrc.co.uk
Outils et ressources pratiques
- Conception/simulation : Ansys Additive ; Autodesk Netfabb ; Simufact Additive ; nTopology pour les structures en treillis
- Normes : ISO/ASTM 52900, 52904, 52910 ; série SAE AMS 7000
- Bases de données : base de données Senvol (https://senvol.com/database) pour les données relatives aux machines, aux matériaux et aux procédés
- Métrologie : bonnes pratiques en matière de tomodensitométrie (NPL, NIST) ; guides sur la rugosité de surface et la porosité
- Assurance qualité/Suivi : Sigma Additive Quality, EOS EOSTATE, Renishaw InfiniAM ; modèles de fiches techniques de poudre
- Sécurité : NFPA 484 (métaux inflammables), ISO 80079 (atmosphères explosives), FDS du fournisseur
Dernière mise à jour : 2025-08-22
Journal des modifications : Ajout de 5 FAQ supplémentaires ; inclusion d'un tableau des indicateurs clés de performance (KPI) et des tendances pour 2025 ; ajout de deux études de cas récentes (fabrication par dépôt de poudre au laser bleu pour le cuivre ; implants hybrides EBM+CNC) ; présentation d'avis d'experts avec mention de leurs affiliations ; compilation d'outils et de ressources pratiques pour la sélection et la validation des solutions d'impression 3D.
Prochaine date de révision et déclencheurs : Le 1er février 2026 ou avant, si les normes ISO/ASTM sont mises à jour, si les principaux équipementiers publient de nouveaux paramètres relatifs aux alliages ou aux procédés, ou si de nouveaux ensembles de données concernant la surveillance in situ et la coordination multi-laser sont publiés.
