Comment la fabrication additive métallique a changé en une décennie

Ici, une imprimante 3D métal produit une pièce en acier. Les fabricants de matériaux investissent davantage dans le développement de nouveaux matériaux additifs métalliques. (Getty Images)

Maintenant que la fabrication additive gagne du terrain, les fabricants de matériaux investissent davantage dans le développement de nouveaux matériaux additifs métalliques. C'est un grand changement par rapport à il y a 10 ans ou même il y a cinq ans, lorsque le marché n'était pas assez grand ni la technologie assez avancée pour justifier une telle entreprise. Quel est le chemin parcouru par les additifs métalliques au cours de la dernière décennie et qu'est-ce qui se profile à l'horizon pour cette technologie en pleine croissance ?

The Additive Report a contacté quatre experts dans le domaine des additifs métalliques pour leur avis :

Cheryl MacLeod, responsable mondiale de la science de la fusion 3D, Impression 3D chez HP Inc. : Lorsque HP est entré dans la FA en 2015, le géant informatique de la Silicon Valley souhaitait adopter une nouvelle approche du développement des matériaux métalliques. HP a remarqué à l'époque que le marché des appareils prototypes faisait défaut, il a donc lancé un service de production de Metal Jet en partenariat avec la société britannique de composants aérospatiaux et automobiles GKN. À partir de là, HP produit désormais des poudres d'acier inoxydable sur mesure pour des clients automobiles, industriels et médicaux, notamment Volkswagen, GKN, Wilo et Parmatech. HP continue de développer de nouveaux matériaux via sa plate-forme Open Materials pour Metal Jet et Multi Jet Fusion.

Keith Murray, responsable du développement commercial chez Sandvik Osprey Ltd. : Osprey CE développe des alliages à expansion contrôlée et des poudres métalliques avec Sandvik depuis près de 20 ans. Le programme de matériaux, basé à moins de 10 miles de Swansea dans le sud du Pays de Galles, propose toute la gamme de matériaux : alliages à base de fer (acier inoxydable et acier maraging), alliages de nickel, alliages de cuivre et alliages de cobalt, ainsi qu'un développement continu dans l'aluminium et le titane. Sandvik a créé sa propre technologie d'atomisation au gaz avec des capacités allant de la fourniture de poudre métallique à petite échelle pour le développement de prototypes à des lots à grand volume pour une production à grande échelle.

Jacob Nuechterlein, président et fondateur d'Elementum 3D : La société de développement de matériaux, de paramètres et de recherche de FA est à l'avant-garde de la production de nouveaux alliages et composites métalliques. Nuechterlein, avec une formation en métallurgie, a lancé la société basée à Erie, Colorado en 2014 pour élargir le portefeuille d'alliages. Il y a quatre ans, seuls 12 alliages métalliques commerciaux étaient sur le marché, contre plus de 60 matériaux en aluminium. En se concentrant sur le lit de poudre laser, Elementum 3D a depuis développé de nombreux "ultramatériaux" en alliage d'aluminium, des matériaux réfractaires comme le tungstène et le tantale, des alliages à base d'acier et de nickel et du cuivre.

Andy Shives, responsable commercial de la fabrication additive chez Praxair Surface Technologies : Le producteur de gaz industriel Praxair Inc. fabrique des poudres métalliques depuis plus de 50 ans sur les marchés du revêtement par projection thermique. Il est donc naturel que sa division AM, Praxair Surface Technologies (PST), soit devenue l'un des plus grands fabricants mondiaux de métaux additifs au cours de la dernière décennie. PST exploite maintenant un 300 000 pieds carrés. usine d'Indianapolis dédiée à la production de poudres métalliques et céramiques. PST atomise des alliages à base de nickel, de cobalt, de fer, de titane et de cuivre pour presque tous les marchés concernés : aérospatial, énergétique et industriel, ainsi qu'une portée croissante dans les secteurs automobile et médical.

Le rapport additif :Comment le rythme de développement des matériaux de FA se compare-t-il à il y a cinq à dix ans ?

Shives : Beaucoup de grands acteurs n'étaient même pas impliqués dans l'additif, et encore moins dans l'additif métallique, il y a 10 ans. Mais même aujourd'hui, c'est encore le début. Le nombre d'applications ou de pièces qui sont en production est encore très faible. Maintenant, surtout au cours des cinq dernières années, les connaissances ont considérablement augmenté sur les alliages imprimables et sur les alliages que vous devez examiner davantage pour certains processus. Par exemple, un alliage peut bien fonctionner pour le procédé laser sur lit de poudre, mais il ne fonctionnera pas bien pour le procédé par faisceau d'électrons. Et les clients recherchent maintenant vraiment quel alliage fonctionne le mieux pour une application spécifique. Et nous avons vu cela augmenter de manière significative au cours des deux à trois dernières années.

Murray : Si nous avions eu cette conversation en 2007, et que vous m'aviez demandé où je vois la technologie aller, je pense que n'importe qui aurait du mal à vraiment anticiper jusqu'où elle va. Si vous remontez à l'époque, il y avait peut-être 100 machines installées dans le monde. C'était une application et une technologie de niche. Au début, c'était juste une partie complémentaire intéressante de notre entreprise, mais évidemment, cela a beaucoup changé au fil des ans. L'échelle de l'industrie, le niveau d'innovation, le niveau d'intérêt et le niveau de demande de matériaux sont méconnaissables par rapport à ce qu'ils étaient il y a 10 ans.

Nocturne: En particulier, une partie de cela est liée à la puissance de calcul et aux outils dont nous disposons pour le développement de matériaux et pour l'impression en général. La flexibilité de l'équipement s'est un peu ouverte pour nous permettre de savoir comment cela fonctionne et comment nous pouvons l'améliorer. Les gens qui sont dans le monde de l'atomisation comprennent maintenant comment atomiser du matériel pour la FA et ils voient qu'il existe un marché pour cela. Dans le passé, il y avait beaucoup de qualité variable. Les gens ont appris différentes ficelles du métier afin que vous puissiez obtenir un produit plus cohérent. Il y a plus d'endroits où s'approvisionner en différents matériaux. La concurrence, je pense, engendre un meilleur produit.

De la poudre métallique est versée dans une chambre d'une machine de frittage laser d'impression 3D. (Getty Images)

RA :Les industriels adoptent-ils plus ouvertement l'impression 3D comme véritable option de fabrication ?

MacLeod : Nous voyons absolument les fabricants adopter l'impression 3D comme une véritable option de production, et à l'avenir, nous pensons qu'il y aura une croissance explosive dans le développement des matériaux. De plus en plus de partenaires de matériaux sont intéressés par le développement de leur capacité à créer des poudres AM, et à mesure que les technologies deviennent mieux adaptées à la production, nous constatons que les entreprises sont plus disposées à investir dans une gamme plus large de matériaux hautes performances. Nous sommes juste au point d'inflexion où la technologie commence enfin à atteindre un niveau de maturité qui va vraiment lui permettre d'aller au-delà du prototypage et de la production à faible volume et de remonter la courbe vers la production à grande échelle. La question n'est pas de savoir si l'impression 3D sera la nouvelle plate-forme pour la production de masse mondiale, c'est quand.

Nocturne: Les conversations que j'ai aujourd'hui par rapport au moment où j'ai créé l'entreprise sont complètement différentes. Avant, j'enseignais aux gens, il y a même quatre ans, ce qu'était la FA. Et maintenant, la conversation porte davantage sur l'enseignement aux gens de l'utilisation de la FA. Et ce sont des conversations très différentes.

Shives : Il y a cinq ans, de nombreuses entreprises cherchaient encore à obtenir une machine ou quelques machines, ou elles auraient pu travailler avec des sous-traitants extérieurs qui possédaient des machines. Aujourd'hui, bon nombre de ces entreprises ont au moins un imprimeur de métaux en interne qui effectue ses propres études. Donc, ils ont fait cet investissement initial. C'est assez important.

RA :Qu'est-ce qui influence actuellement le développement des matériaux additifs ?

Murray : C'est encore un spectre assez diversifié. Il existe différents influenceurs pour les entreprises qui sont bien engagées dans le parcours additif au sein de leur propre processus de fabrication. Ils s'en approchent, voire l'utilisent déjà comme un outil de production sérieux qui pousse le développement à affiner les matériaux et la cohérence non seulement pour une meilleure reproductibilité en termes de processus, mais aussi de caractéristiques des matériaux. Il s'agit donc vraiment de comprendre les détails et d'affiner les spécifications pour vous donner un processus stable sur une base industrielle.

MacLeod : Actuellement, la plus grande influence est le passage des fabricants du prototypage à la production. Cela a un impact important sur les matériaux - passant de matériaux qui conviennent bien au prototypage à des matériaux mieux adaptés à la production. Pour les métaux en particulier, tout est une question de production. Nous reconnaissons qu'un écosystème ouvert de leaders de l'industrie est essentiel pour une plus grande innovation, une économie révolutionnaire et un développement plus rapide des matériaux et des applications d'impression 3D. Lorsque vous regardez les marchés verticaux ou partout où vous voyez une production en série, la plupart ont un ensemble spécifique de réglementations, de documentation et de processus qui sont devenus des normes établies dans ces marchés verticaux.

Shives : Un grand nombre des alliages que de nombreux clients ont commencé à utiliser provenaient de spécifications de différents marchés, par exemple, le moulage et le forgeage. Ils n'ont pas été écrits pour le processus additif. Et ce que nous voyons maintenant, c'est que les clients se familiarisent beaucoup plus avec les machines additives, les différentes technologies et créent des ensembles de paramètres personnalisés. Et maintenant, concevoir des spécifications pour AM. Ce qui en a résulté, ce sont des ajustements dans la chimie des alliages et la distribution de la taille des particules. C'est là que vous entrez dans les alliages personnalisés, qui pourraient être des écarts par rapport à un alliage standard bien connu. Ou il pourrait s'agir d'un tout nouvel alliage qui a été vraiment conçu et construit pour l'additif.

RA :Quels sont encore les obstacles à la poursuite du développement des matériaux ?

MacLeod : Parce que l'impression 3D existe depuis plus de 30 ans, de nombreux ingénieurs pensent encore à la technologie et aux matériaux dans le silo de la façon dont ils ont été introduits pour la première fois - malgré toutes les innovations dans l'espace. Par exemple, nous sommes encore en train d'apprendre ce que le processus de FA sur lit de poudre exige d'un point de vue matériel et de déterminer comment mieux faire correspondre les matériaux de base aux profils réels de chaque processus. Le moulage par injection a eu un siècle pour comprendre cela.

Les fabricants de matériaux investissent davantage dans le développement de nouveaux matériaux additifs métalliques. (Getty Images)

Nocturne: Plus précisément, les obstacles au développement de matériaux sont la compétence et les résultats. Vous voulez être en mesure de dire qu'un lot sera le même que le suivant, et que si vous obtenez une grande propriété, vous êtes à l'aise de positionner cette propriété sur l'assiette. Les clients veulent beaucoup de données. Pour chaque matériau que nous publions, nous devons générer beaucoup de données pour mettre le client à l'aise avant qu'il ne se déplace sur de grandes quantités. Il y a une certaine flexibilité et tolérance au risque dans un cas unique ici et là. Mais si vous envisagez de faire un cycle de fabrication complet et que vous allez acheter 20, 30 imprimantes, vous voulez être très à l'aise avec la façon dont le matériau va se comporter dans votre pièce.

Murray : La standardisation est un très gros sujet. Vous avez différentes commissions comme le groupe F42 de l'American Society for Testing and Materials (ASTM) aux États-Unis et le comité ISO/TC 261, qui est plus européen. Mais c'est aussi comprendre la collaboration. Notre entreprise de matériaux possède un héritage de plus de 150 ans dans le traitement des matériaux. Nous avons beaucoup de connaissances inhérentes du côté des matériaux - probablement plus que certaines des entreprises technologiques qui construisent les machines. Ainsi, vous avez mis en place des collaborations, en vous appuyant sur des forces relatives - les matériaux et le processus - pour fournir la solution complète. La prolifération de la technologie se produit si rapidement. Essayer de suivre et de couvrir toutes vos bases peut être assez difficile.

RA :Les relations entre les développeurs de machines et les équipementiers jouent-elles toujours un rôle essentiel pour repousser les limites du développement des matériaux additifs ?

Shives : Certains équipementiers OEM travaillent en étroite collaboration avec certains clients finaux pour valider. Nous constatons que de nombreux OEM qui utilisent des ensembles de paramètres propriétaires effectueront eux-mêmes de nombreuses validations. C'est tellement secret et exclusif qu'ils ne veulent pas que l'entreprise d'équipement ou d'autres fournisseurs sachent exactement sur quelle application ou conception ils travaillent.

MacLeod : Nous avons pour vision d'étendre notre plate-forme de matériaux ouverts plus profondément dans les métaux afin que tout le monde puisse venir innover facilement sur notre plate-forme. Le progrès vient de la collaboration que nous avons avec nos partenaires de matériaux certifiés. Il peut y avoir un point d'addition lorsque la science est si bien comprise qu'elle a été réduite à un ensemble d'outils logiciels et de modélisation prédictive que pratiquement tout le monde peut utiliser. À ce stade, la relation profonde entre les équipementiers et les entreprises de matériaux sera moins importante, mais cela n'existe pas encore pour les additifs.

Nocturne: Il s'est étendu même au-delà. Il existe maintenant un certain nombre d'options différentes quant à la façon dont vous allez faire votre part et pourquoi vous allez refaire cette part. Certes, les fabricants de machines dirigent la plus grande partie de l'industrie, mais pas la totalité. Maintenant, il commence à apparaître dans des applications individuelles qui doivent être résolues. Et la FA est parfaite pour cela, en particulier pour les petites entreprises de fabrication. Je dirais qu'un quart de notre activité concerne les petites entreprises qui cherchent à comprendre comment fabriquer des pièces individuelles avec des prototypes fonctionnels.

SUIS:Quelle est l'une des choses les plus importantes qui, selon vous, affectera le développement des matériaux additifs dans un avenir proche ?

Shives : Un grand changement pourrait être la conception de l'additif. La prochaine génération d'ingénieurs de l'industrie est formée différemment pour concevoir de nouvelles pièces. On s'est beaucoup concentré là-dessus ces deux dernières années. Nous commençons à voir les premières phases de cela sortir des grands équipementiers. Ainsi, une fois que ces nouvelles conceptions pour les applications additives seront confirmées et validées par le marché, nous commencerons à voir la production s'accélérer encore plus.

Murray : Je ne suis pas sûr qu'il y ait une prochaine grande chose, mais c'est une combinaison d'amélioration des performances et de rentabilité. Pouvez-vous développer un matériau avec un coût métal intrinsèque inférieur pour remplacer certains des matériaux existants ? Mais il s'agit de repousser les limites des matériaux. Dans les matériaux à base de fer, il s'agit d'améliorer la durabilité et les performances dans des domaines tels que les applications d'outillage. Et dans les superalliages à base de nickel à haute température, il examine la prochaine génération de ces matériaux et essaie de les optimiser pour le processus.

Nocturne: Je pense que nous allons voir un énorme afflux d'aciers différents et pouvoir imprimer des aciers. Aujourd'hui, l'acier est vraiment difficile à imprimer. Il y a plusieurs raisons à cela, mais il s'agit de savoir comment souder correctement ces différents matériaux. Et pas seulement les souder, mais les souder avec des taux de refroidissement vraiment très élevés pour éviter les fissures ou d'autres problèmes. Des industries telles que l'automobile, l'outillage, le pétrole et le gaz utilisent moins les superalliages à base d'aluminium, de titane et de nickel. Ils ont besoin d'aciers performants. Un grand nombre de ces imprimantes sont utilisées par des ingénieurs en mécanique ou un machiniste qui n'ont pas nécessairement une connaissance approfondie de la façon dont le matériau est formé. Vous devez vraiment avoir ces connaissances qui sont vraiment liées à la métallurgie, au traitement thermique, à la formation de produits et à la formation de différentes phases pendant l'impression.