Quelle technologie dominera l’impression 3D ?

Alors que l’impression 3D, également appelée fabrication additive, devient de plus en plus un élément clé de la fabrication avancée, il est important d’approfondir

3D printing, also known as additive manufacturing, is rapidly becoming a crucial component of advanced manufacturing processes. As 3D-printed parts and components are frequently utilized in highly demanding applications, such as automotive engines, rockets, and military equipment, any failure in a single component can have catastrophic consequences.

L’impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, devient rapidement un élément crucial des processus de fabrication avancés. Étant donné que les pièces et composants imprimés en 3D sont fréquemment utilisés dans des applications très exigeantes, telles que les moteurs automobiles, les fusées et les équipements militaires, toute défaillance d'un seul composant peut avoir des conséquences catastrophiques.

To mitigate this risk and pave the way for 3D printing to become the dominant manufacturing method, surpassing traditional techniques like melting metal in casts and machining, continuous optimization of the 3D printing process is paramount.

Pour atténuer ce risque et permettre à l'impression 3D de devenir la méthode de fabrication dominante, dépassant les techniques traditionnelles telles que la fusion du métal dans les pièces moulées et l'usinage, l'optimisation continue du processus d'impression 3D est primordiale.

Among the various 3D printing techniques, laser powder bed fusion is particularly suited for precision manufacturing. Researchers at the University of Wisconsin-Madison and Argonne National Laboratory have recently employed advanced X-ray imaging to analyze this process meticulously, uncovering promising avenues to drastically reduce defects during manufacturing. Their findings were published in the International Journal of Machine Tools and Manufacture, under the title “Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging”.

Parmi les différentes techniques d’impression 3D, la fusion laser sur lit de poudre est particulièrement adaptée à la fabrication de précision. Des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison et du Laboratoire national d’Argonne ont récemment utilisé l’imagerie avancée aux rayons X pour analyser méticuleusement ce processus, découvrant ainsi des pistes prometteuses pour réduire considérablement les défauts lors de la fabrication. Leurs résultats ont été publiés dans l’International Journal of Machine Tools and Manufacture, sous le titre « Révéler les mécanismes de traitement des défauts d’atténuation dans la fusion laser sur lit de poudre via des faisceaux façonnés utilisant l’imagerie à rayons X à grande vitesse ».

The Mechanics of Laser Powder Bed Fusion

La mécanique de la fusion sur lit de poudre au laser

In powder bed 3D printing, a layer of powder containing the material used for additive manufacturing is spread out in a container. A laser then selectively melts/fuses the powder in the zone that will eventually form the 3D-printed item.

Dans l’impression 3D sur lit de poudre, une couche de poudre contenant le matériau utilisé pour la fabrication additive est étalée dans un conteneur. Un laser fait ensuite fondre/fusionner sélectivement la poudre dans la zone qui formera éventuellement l’article imprimé en 3D.

Following this, another layer of powder is deposited on top, and the portions that need to be melted and added to the item are once again targeted by the laser. By repeating this process over time, even highly complex shapes and relatively large items can be produced.

Ensuite, une autre couche de poudre est déposée dessus, et les parties qui doivent être fondues et ajoutées à l'article sont à nouveau ciblées par le laser. En répétant ce processus au fil du temps, même des formes très complexes et des objets relativement grands peuvent être produits.

You can observe laser powder bed fusion in action in this video, along with examples of items that can be made using this technique.

Vous pouvez observer la fusion sur lit de poudre laser en action dans cette vidéo, ainsi que des exemples d'objets pouvant être fabriqués à l'aide de cette technique.

This method is not limited to plastics; it can also be used to create items made of metals, including titanium, steel, cobalt-chromium, aluminum, and more.

Cette méthode ne se limite pas aux plastiques ; il peut également être utilisé pour créer des objets en métaux, notamment en titane, en acier, en cobalt-chrome, en aluminium, etc.

The advantages of this method lie in its ability to create precise geometry, with tolerances of +/- 0.2mm, which are comparable to metal injection molding, and its efficiency in material usage, as the unused powder can be collected back and reused.

Les avantages de cette méthode résident dans sa capacité à créer une géométrie précise, avec des tolérances de +/- 0,2 mm, comparables au moulage par injection de métal, et dans son efficacité dans l'utilisation des matériaux, car la poudre non utilisée peut être récupérée et réutilisée.

Moreover, by simultaneously using multiple lasers, which is typically found in more advanced 3D printer designs, larger parts can be printed quickly.

De plus, en utilisant simultanément plusieurs lasers, ce que l’on trouve généralement dans les conceptions d’imprimantes 3D plus avancées, des pièces plus grandes peuvent être imprimées rapidement.

It's important to note that laser powder bed fusion encompasses several sub-techniques, including:

Il est important de noter que la fusion laser sur lit de poudre englobe plusieurs sous-techniques, notamment :

Revealing Mechanisms to Prevent 3D Printing Failures

Révéler les mécanismes pour prévenir les échecs de l’impression 3D

In theory, additive manufacturing of metal parts should yield results equivalent to those obtained from traditional casted parts. However, in practice, issues can arise, such as pores, or “voids,” on the surfaces, and large spatters.

En théorie, la fabrication additive de pièces métalliques devrait donner des résultats équivalents à ceux obtenus à partir de pièces coulées traditionnelles. Cependant, dans la pratique, des problèmes peuvent survenir, tels que des pores, ou « vides », sur les surfaces et de grosses éclaboussures.

Such structural imperfections can lead to the parts breaking, which is unacceptable in critical applications.

De telles imperfections structurelles peuvent conduire à la rupture des pièces, ce qui est inacceptable dans les applications critiques.

“Because we understood the underlying mechanisms, we could more quickly identify the right processing conditions to produce high-quality parts using the ring-shaped beam.”

« Grâce que nous avons compris les mécanismes sous-jacents, nous avons pu identifier plus rapidement les bonnes conditions de traitement pour produire des pièces de haute qualité à l'aide du faisceau en forme d'anneau. »

Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison

Lianyi Chen – Professeur agrégé de génie mécanique à l'UW-Madison

The Ring-Shaped Laser Beam

Le faisceau laser en forme d'anneau

The first modification made by the researchers to their 3D printing setup was to replace the standard laser beam with a ring-shaped laser beam, which was provided by nLight, a laser company specializing in semiconductor lasers.

La première modification apportée par les chercheurs à leur configuration d'impression 3D a été de remplacer le faisceau laser standard par un faisceau laser en forme d'anneau, fourni par nLight, une société de laser spécialisée dans les lasers à semi-conducteurs.

This distinct shape facilitates better circulation of the melted metal within the melt pool overall and results in smaller waves on the surface of the freshly created item, reducing the size and distance traveled by the spatters.

Cette forme distincte facilite une meilleure circulation du métal fondu dans l'ensemble du bain de fusion et entraîne des vagues plus petites à la surface de l'élément fraîchement créé, réduisant ainsi la taille et la distance parcourue par les éclaboussures.

Matching Model And Observations

Modèle de correspondance et observations

The researchers went on to verify these observations using the high-energy synchrotron X-ray facility at Argonne National Laboratory. They employed this facility to capture high-speed snapshots of the 3D printing process, which allowed them to check whether their mathematical model accurately simulated reality.

Les chercheurs ont ensuite vérifié ces observations à l’aide de l’installation de rayons X synchrotron à haute énergie du Laboratoire national d’Argonne. Ils ont utilisé cette installation pour capturer des instantanés à grande vitesse du processus d’impression 3D, ce qui leur a permis de vérifier si leur modèle mathématique simulait avec précision la réalité.

3D Printing At A Quicker Pace

L'impression 3D à un rythme plus rapide

Another achievement was the ability of the ring-shaped beam to penetrate deeper into the powder without causing more instability. This led to thicker layers without compromising the strength of the finished product.

Une autre réussite a été la capacité du faisceau en forme d'anneau à pénétrer plus profondément dans la poudre sans provoquer davantage d'instabilité. Cela a conduit à des couches plus épaisses sans compromettre la résistance du produit fini.

As the production ultimately requires fewer layers, this speeds up manufacturing and increases the overall productivity of the machine.

Comme la production nécessite finalement moins de couches, cela accélère la fabrication et augmente la productivité globale de la machine.

An Example of Powder Bed Fusion in Practice

Un exemple de fusion sur lit de poudre en pratique

This line of work is far from being merely an academic demonstration; it has the potential to directly improve powder bed fusion machinery already used in the industry.

Cette ligne de travail est loin d’être une simple démonstration académique ; il a le potentiel d’améliorer directement les machines de fusion sur lit de poudre déjà utilisées dans l’industrie.

A prime example would be in aeronautics, with the fuel nozzle on General Electric’s GE9X engine, which is used on Boeing 777 aircraft.

Un bon exemple serait celui de l'aéronautique, avec l'injecteur de carburant du moteur GE9X de General Electric, utilisé sur les Boeing 777.

The GE9X is the largest turbo-fan engine produced, and the additively manufactured nozzle is five times more durable than previous versions.

Le GE9X est le plus gros moteur turbo-ventilateur produit, et la buse fabriquée de manière additive est cinq fois plus durable que les versions précédentes.

It's worth noting that such developments are still very recent, with the GE9X design being approved by the FAA in 2020.

Il convient de noter que ces développements sont encore très récents, la conception du GE9X ayant été approuvée par la FAA en 2020.

Even a higher quality powder bed fusion process, as well as a quicker one, could improve the design further while at the same time reducing its costs.

Même un processus de fusion sur lit de poudre de meilleure qualité, ainsi que plus rapide, pourrait encore améliorer la conception tout en réduisant ses coûts.

The Future of 3D Printing: Advanced Manufacturing Domination

L’avenir de l’impression 3D : domination de la fabrication avancée

We have previously covered how 3D Printing is consolidating into the future of manufacturing.

Nous avons déjà expliqué comment l’impression 3D se consolide dans l’avenir de la fabrication.

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