Un fabricant de turbines à gaz a besoin de 200 embouts d’injecteurs de carburant dont les canaux internes sont trop complexes pour être usinés. Ces canaux doivent épouser la géométrie de la chambre de combustion, acheminer du carburant à 300 °C et 400 bars, et être fabriqués en Inconel 625 capable de résister à 15 000 cycles thermiques sans rupture par fatigue. L'usinage CNC ne permet pas d'accéder aux canaux internes. Le moulage à la cire perdue ne permet pas de conserver l'épaisseur de paroi de 0,05 mm entre les canaux. La technologie DMLS permet de produire l'ensemble des 200 pièces en trois cycles d'impression, chaque canal interne étant formé conformément aux spécifications et sans coût d'outillage supplémentaire.

Le DMLS (frittage laser direct de métal) est le procédé de fabrication additive métallique qui comble le fossé entre ce que les ingénieurs peuvent concevoir et ce que la fabrication conventionnelle est capable de produire. Il permet de fabriquer des pièces métalliques à densité totale directement à partir d'un fichier numérique, couche par couche, dans des matériaux tels que le titane, l'Inconel, l'acier inoxydable, l'aluminium et le cobalt-chrome, sans outillage, sans quantité minimale de commande et sans contraintes géométriques liées à l'accès des outils ou au sens d'extraction du moule.

Ce guide présente en détail les aspects techniques du procédé DMLS : son fonctionnement, les principaux matériaux utilisés et leurs propriétés mécaniques telles que fabriquées, les tolérances et les possibilités en matière de finition de surface, les exigences de post-traitement, la structure des coûts, ainsi que les cas d'application spécifiques dans lesquels le DMLS s'impose comme le procédé de fabrication le plus adapté par rapport à l'usinage CNC, au moulage ou à l'impression 3D polymère.

Comment fonctionne concrètement le procédé DMLS ?

Le DMLS est un procédé de fusion sur lit de poudre (PBF) classé selon la norme ISO/ASTM 52900 sous la désignation PBF-LB/M (faisceau laser, métal). Il est essentiel de comprendre les mécanismes de ce procédé pour saisir pourquoi le DMLS permet d'obtenir une telle qualité de pièce, et ce qui limite sa précision et son état de surface à la sortie de l'imprimante.

Le processus commence par un plateau d'impression, une plate-forme plate en acier montée à l'intérieur d'une chambre d'impression hermétique. La chambre est purgée avec un gaz inerte, généralement de l'argon ou de l'azote, afin de réduire la teneur en oxygène à moins de 0,1 %. Des concentrations plus élevées d'oxygène entraîneraient l'oxydation de la poudre métallique chaude pendant le frittage, créant ainsi des inclusions qui réduisent les propriétés mécaniques et la densité.

Un dispositif d'application de poudre étale une fine couche de poudre métallique sur le plateau d'impression, d'une épaisseur généralement comprise entre 20 et 100 µm selon le matériau et les exigences de qualité. Un laser à fibre de forte puissance (généralement de 200 à 1 000 watts) balaye la surface du lit de poudre en suivant la section transversale de la pièce à ce niveau, ce qui provoque le frittage ou la fusion partielle des particules de poudre entre elles. Après chaque couche, la plate-forme de fabrication s'abaisse d'une épaisseur de couche, le dispositif d'épandage répand de la poudre fraîche, puis le laser balaye la section transversale suivante.

Des structures de soutien doivent être intégrées à la pièce pour les éléments en porte-à-faux présentant un angle supérieur à 45 degrés par rapport à la verticale, ainsi que pour les zones nécessitant une voie de conduction thermique vers le plateau d'impression afin d'éviter toute déformation thermique. Contrairement à l’impression par SLS (sélectif laser), où la poudre non frittée assure l’auto-portance, les supports en DMLS sont des structures métalliques solides qui doivent être retirées par découpe manuelle, usinage CNC ou électroérosion à fil une fois l’impression terminée. Le retrait des supports représente l’un des coûts de post-traitement les plus importants dans le procédé DMLS et constitue un critère essentiel de conception pour la fabrication (DFM) lors de l’orientation et de la conception des pièces destinées à la production par DMLS.

Une fois l'impression terminée, la pièce est toujours fixée au plateau d'impression et entourée de poudre en vrac. La poudre est aspirée puis tamisée en vue de sa réutilisation. La pièce est ensuite retirée du plateau d'impression par électroérosion à fil ou à la scie à ruban. Le recuit de détente constitue généralement la première étape de post-traitement : les contraintes thermiques résiduelles résultant du chauffage et du refroidissement rapides lors du frittage laser peuvent atteindre des niveaux équivalents à la limite d'élasticité du matériau, provoquant une déformation lorsque la pièce est retirée du plateau sans avoir subi de recuit de détente. Le Ti-6Al-4V est soumis à un recuit de détente entre 650 et 750 degrés Celsius. L’Inconel 718 nécessite un recuit de mise en solution complet et un vieillissement en deux étapes pour développer ses propriétés de durcissement par précipitation. [1].

Quels sont les matériaux disponibles pour le procédé DMLS, et quelles sont leurs propriétés mécaniques ?

Le choix du matériau DMLS détermine toutes les autres décisions dans un programme de fabrication additive métallique. Le tableau ci-dessous présente les six matériaux DMLS les plus couramment spécifiés, dont les propriétés mécaniques reflètent l'état après post-traitement (détente ou traitement thermique complet) plutôt que l'état à la sortie de l'imprimante, car les propriétés à la sortie de l'imprimante présentent une plus grande variabilité et la plupart des applications structurelles nécessitent un post-traitement.

Les propriétés du DMLS « tel que fabriqué » sont inférieures et plus variables que celles obtenues après post-traitement. Le Ti-6Al-4V à la sortie de l’imprimante présente généralement une résistance à la traction comprise entre 1 100 et 1 200 MPa, avec un allongement à la rupture de seulement 4 à 6 %, en raison de la microstructure martensitique formée lors du refroidissement rapide au laser. Après un recuit de détente à une température comprise entre 650 et 750 °C et un traitement HIP (pressage isostatique à chaud) à 920 °C sous une pression d’argon de 100 MPa, l’allongement passe à 8 à 14 % et la microstructure s’homogénéise, ce qui permet d’obtenir des propriétés adaptées aux applications structurelles dans l’aérospatiale et aux implants médicaux. [2].

Quelles tolérances et quel état de surface le procédé DMLS permet-il d'obtenir ?

La capacité de tolérance du procédé DMLS est l'un des aspects les plus mal compris de ce procédé. Les ingénieurs habitués aux tolérances de l'usinage CNC appliquent parfois les mêmes attentes au procédé DMLS et sont surpris de constater que les pièces obtenues par DMLS sont nettement moins précises qu'une pièce usinée par CNC dans le même matériau.

Tolérances de mise en œuvre

Le procédé DMLS « tel que fabriqué » permet d'atteindre des tolérances dimensionnelles comprises entre 0,05 et 0,1 mm pour les éléments de plus de 10 mm, et entre 0,1 et 0,3 mm pour les éléments plus grands, où les effets du gradient thermique et du retrait s'accumulent sur des dimensions plus longues. Ces valeurs sont conformes à la classe moyenne de la norme ISO 2768 pour les petites caractéristiques, mais ne se rapprochent pas des tolérances de 0,005 à 0,02 mm pouvant être obtenues par usinage CNC. Pour la plupart des caractéristiques structurelles et non d'accouplement dans les applications aérospatiales et industrielles, les tolérances « tel que fabriqué » sont suffisantes.

Pour les surfaces d'accouplement fonctionnelles : sièges de roulements, rainures d'étanchéité, éléments filetés, ajustements de précision et toute dimension nécessitant une interface fiable avec une pièce d'accouplement, l'usinage CNC post-impression de la pièce DMLS est la pratique courante. Le processus de fabrication DMLS permet d’obtenir une forme proche de la forme finale dans le matériau approprié, avec toutes les géométries internes complexes intactes. L’usinage CNC permet ensuite d’amener les surfaces externes critiques aux tolérances requises sans affecter les caractéristiques internes inaccessibles à la machine-outil.

Finition de surface telle que réalisée

La rugosité de surface des pièces imprimées par DMLS est comprise entre Ra 5 et 20 µm, en fonction de l'orientation de l'impression. Les surfaces orientées vers le haut, directement exposées au laser, présentent une rugosité comprise entre Ra 5 et 8 µm. Les surfaces orientées vers le bas, qui reposent sur des structures de support ou sont tournées vers le bas dans le lit de poudre, présentent une rugosité comprise entre 12 et 20 µm en raison de l’effet « escalier » des bords de couche et du contact rugueux avec les supports. Les parois latérales se situent entre ces deux extrêmes, avec une rugosité comprise entre 8 et 15 µm.

Le post-traitement améliore considérablement la qualité de surface. Le grenaillage ou le microbillage permet d’obtenir un Ra compris entre 3 et 6 µm et confère un aspect mat uniforme. L'usinage CNC sur les surfaces critiques permet d'atteindre un Ra compris entre 0,8 et 3,2 µm. L'électropolissage destiné aux applications médicales et alimentaires permet d'atteindre un Ra compris entre 0,1 et 0,4 µm. Le polissage à la main des surfaces d'implants destinées au contact osseux permet d'atteindre un Ra inférieur à 0,05 µm.

Dans quels cas le DMLS est-il le procédé de fabrication le plus adapté, et dans quels cas ne l'est-il pas ?

Applications pour lesquelles le DMLS est la seule option viable

Certaines exigences liées aux pièces font du DMLS la seule méthode de fabrication viable, quel que soit le coût. Les canaux internes conformes qui épousent le contour de la surface d'une pièce à des fins de refroidissement, de chauffage ou de circulation de fluide ne peuvent être réalisés ni par usinage CNC (accès impossible pour l'outil), ni par moulage (impossible d'extraire les noyaux des chemins internes très complexes). Les structures à topologie optimisée, dans lesquelles la matière est retirée des zones à faible contrainte afin de minimiser le poids tout en conservant les performances structurelles dans les voies de charge, produisent des géométries organiques avec des entretoises et des treillis qu’aucun outil de coupe ne peut suivre. La consolidation des pièces, qui consiste à repenser un assemblage à plusieurs composants sous la forme d’une seule pièce imprimée, permet d’éliminer le travail d’assemblage, de réduire le nombre de fixations et de supprimer les voies de fuite potentielles entre les composants – un résultat que seul le procédé DMLS est en mesure d’atteindre.

Domaines d’application dans lesquels la technologie DMLS rivalise avantageusement avec l’usinage CNC

Pour les petits volumes (de 1 à 50 pièces), le procédé DMLS permet souvent d’obtenir un coût total inférieur à celui de l’usinage CNC pour des géométries métalliques complexes, car il ne nécessite aucun temps de préparation, aucun coût de fixation et aucun temps de programmation pour les trajectoires complexes à 5 axes. Le seuil de rentabilité varie en fonction de la complexité de la pièce. Un simple support en aluminium revient toujours moins cher en usinage CNC qu’en DMLS. Un composant complexe en titane comportant de multiples contre-dépouilles, des éléments internes et des surfaces courbes peut s’avérer moins coûteux en DMLS pour des quantités inférieures à 10 ou 20 pièces, car les coûts de mise en place et de programmation CNC s’amortissent mal sur les petites séries.

Applications dans lesquelles l'usinage CNC ou le moulage s'avèrent plus performants

L'usinage CNC offre des tolérances, un état de surface et une homogénéité des matériaux supérieurs pour les pièces simples à modérément complexes, quel que soit le volume de production. Les tolérances serrées, la longue durée de vie des outils et les temps de cycle réduits de l'usinage CNC en font le choix le plus rentable pour la grande majorité des composants métalliques qui ne nécessitent pas de complexité interne ni d'optimisation géométrique allant au-delà de ce qu'un outil de coupe peut atteindre. Le moulage sous pression et le moulage à la cire perdue permettent de produire des pièces métalliques à un coût unitaire inférieur à celui du DMLS pour toute géométrie moulable à des volumes supérieurs à 500 à 1 000 unités. Le DMLS est particulièrement susceptible d’être remplacé par le moulage à des volumes supérieurs à quelques centaines de pièces pour toute géométrie ne nécessitant pas la liberté géométrique offerte par la fabrication additive.

Le secteur de la fabrication additive considère généralement que le seuil de rentabilité entre le DMLS et la fabrication traditionnelle dépend de la complexité et du volume des pièces. Pour les géométries simples, l'usinage CNC est presque toujours plus économique, quel que soit le volume. Pour les géométries très complexes comportant des détails internes, le DMLS reste rentable jusqu'à plusieurs centaines de pièces, avant que le moulage sous pression ou le MIM ne deviennent compétitifs en termes de coûts. [3].

Guides et ressources connexes d'Elite Mold Tech

Guides connexes : Guide complet de sélection des processus de fabrication, Comparaison entre les technologies SLA, SLS et FDM, Services d'impression 3D métallique par DMLS.

Références faisant autorité : Norme ISO/ASTM 52900 relative à la fabrication additive, Données d'ASM International sur les poudres métalliques.

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Questions fréquemment posées

Quelle est la différence entre le DMLS et le SLM, et est-ce important pour les acheteurs ?

Les termes DMLS (frittage laser direct de métal) et SLM (fusion sélective au laser) désignent des procédés de fusion sur lit de poudre métallique étroitement liés et dont les domaines d'application se recoupent souvent. La distinction technique est la suivante : le DMLS a été développé par EOS GmbH et utilise l'énergie laser pour fritter (faire fondre partiellement et fusionner) des particules de poudre métallique à des températures inférieures au point de fusion complet, tandis que le SLM fait fondre entièrement les particules de poudre en utilisant une densité de puissance laser plus élevée. Dans la pratique, la plupart des systèmes DMLS modernes fonctionnant avec des paramètres optimisés permettent d’atteindre une fusion quasi complète et des densités comprises entre 99,5 et 99,9 %, rendant ainsi la distinction entre frittage et fusion négligeable pour la plupart des applications d’ingénierie. « SLM » est un terme déposé associé à SLM Solutions (désormais Nikon SLM Solutions). D’autres fabricants de machines utilisent des termes tels que LPBF (Laser Powder Bed Fusion, le terme standard ISO/ASTM), LaserCUSING (Concept Laser/GE Additive), ou simplement « FAF métallique » ou « impression 3D métallique ». Pour les acheteurs, le terme utilisé par un fournisseur importe moins que la certification des matériaux, la plateforme de la machine, les paramètres du procédé et les capacités de post-traitement qu’il est en mesure de justifier. Demandez des certificats d’essais des matériaux conformes aux normes ASTM E8 (traction) et ASTM E466 (fatigue) plutôt que de vous fier à la terminologie.

La technologie DMLS permet-elle de produire des pièces présentant les mêmes propriétés mécaniques que celles des métaux forgés ou travaillés ?

Les pièces issues du procédé DMLS ayant subi un post-traitement se rapprochent des propriétés des pièces corroyées ou forgées, sans toutefois toujours les égaler ; cet écart dépend du matériau, du post-traitement appliqué et de la propriété comparée. Pour le Ti-6Al-4V, les pièces DMLS, après HIP et traitement thermique, atteignent une résistance à la traction de 1 050 à 1 100 MPa et un allongement de 8 à 14 %, ce qui satisfait ou dépasse les exigences de la norme ASTM F1472 pour le titane forgé destiné aux applications aérospatiales et médicales. Pour l’Inconel 718, après recuit de mise en solution et vieillissement en deux étapes, le procédé DMLS permet d’atteindre une résistance à la traction de 1 240 MPa, comparable à celle de l’Inconel 718 corroyé selon la norme AMS 5664. Les propriétés à l'état brut sont nettement inférieures : le Ti-6Al-4V à l'état brut présente un allongement de seulement 4 à 6 % en raison de la microstructure martensitique formée lors du refroidissement rapide au laser. Les propriétés à l'état brut ne doivent pas être utilisées pour la conception structurelle sans confirmation du post-traitement qui sera appliqué. La résistance à la fatigue des pièces DMLS est plus variable que celle de leurs équivalents forgés, car la rugosité de surface et la porosité interne, même à une densité de 99,7 %, créent des sites d’amorçage de fissures de fatigue qui réduisent la durée de vie en fatigue à cycles élevés en dessous des valeurs obtenues avec les pièces forgées. Le traitement HIP élimine la porosité fermée et améliore considérablement la résistance à la fatigue.

Quel post-traitement une pièce fabriquée par DMLS nécessite-t-elle généralement avant d'être utilisée ?

Les exigences de post-traitement des pièces issues du procédé DMLS dépendent de l'application et du matériau. La séquence standard minimale pour la plupart des applications structurelles est la suivante : retrait des supports par découpe manuelle, meulage ou électroérosion à fil ; recuit de détente pour réduire les contraintes thermiques résiduelles issues de la fabrication ; et grenaillage pour obtenir un aspect de surface uniforme. Pour les pièces nécessitant des tolérances serrées au niveau des éléments d’assemblage, l’usinage CNC des surfaces critiques suit le recuit de détente. Pour les applications aérospatiales et médicales soumises à des charges critiques, le traitement HIP (traitement thermique sous pression et à haute température) permet de colmater la porosité interne et d’améliorer la résistance à la fatigue ainsi que l’allongement. Pour l’Inconel 718 et l’acier inoxydable 17-4 PH, un traitement thermique complet de durcissement par précipitation est nécessaire pour développer les propriétés mécaniques prévues de l’alliage. Pour le titane de qualité implantaire, l’électropolissage et la passivation préparent la surface en vue des essais de biocompatibilité. Le coût des traitements post-fabrication peut augmenter de 30 à 80 % le coût de fabrication d’une pièce DMLS et doit être pris en compte dans toute comparaison du coût total avec la fabrication conventionnelle.

Quelles sont les règles de conception spécifiques au procédé DMLS qui ne s'appliquent pas à l'usinage CNC ?

Le procédé DMLS impose des contraintes de conception différentes de celles de l'usinage CNC, et les pièces conçues pour l'usinage doivent souvent être repensées pour que le DMLS soit rentable. Les principales règles spécifiques au DMLS sont les suivantes : des structures de soutien sont nécessaires pour tous les surplombs formant un angle inférieur à 45 degrés par rapport à la verticale, et le retrait de ces structures augmente le coût et peut laisser des marques à la surface des faces soutenues. Une épaisseur de paroi inférieure à 0,3 à 0,5 mm présente des risques en raison de la déformation thermique et d’un frittage incomplet au niveau des sections très fines. Les trous horizontaux d’un diamètre supérieur à 8 mm nécessitent des supports difficiles à retirer de l’intérieur. Les volumes creux fermés doivent comporter des orifices d’évacuation de la poudre afin de permettre à la poudre non frittée de s’échapper après la fabrication. Les angles internes aigus sont acceptables en DMLS car il n’y a pas de contrainte liée au rayon d’outil, ce qui constitue un avantage en termes de liberté de conception par rapport à l’usinage CNC. L’orientation de la pièce lors de l’impression doit trouver un équilibre entre la minimisation des supports, la qualité de surface sur les faces critiques et l’anisotropie des propriétés dans le sens d’impression. Une analyse DFM (conception pour la fabrication) DMLS réalisée par Elite Mold Tech avant la soumission de la fabrication identifie ces quatre catégories et permet de réduire les coûts de post-traitement de 20 à 40 %.

Combien coûte l'impression 3D par DMLS par pièce, et quels sont les facteurs qui déterminent son prix ?

Le coût par pièce en DMLS dépend de trois variables qui se combinent entre elles : le volume d’impression, le temps d’impression et l’étendue du post-traitement. Le coût horaire d'une machine DMLS industrielle varie entre 50 et 200 dollars US, en fonction de la taille de la machine et de la puissance du laser. Le temps de fabrication est déterminé par le nombre de couches (hauteur totale de la pièce divisée par l'épaisseur de la couche), la section transversale à scanner par couche et le nombre de pièces imbriquées dans la fabrication. La fabrication d’un seul petit support (50 x 50 x 30 mm) en Ti-6Al-4V avec une épaisseur de couche de 40 µm peut prendre entre 8 et 12 heures, ce qui représente un coût compris entre 400 et 2 400 dollars US rien qu’en temps machine, sans compter le coût du matériau et du post-traitement. L'imbrication de plusieurs pièces dans une même impression répartit les coûts fixes liés à l'utilisation de la machine (réglage, chargement de la poudre, purge de l'atmosphère, chauffage de la plaque) sur l'ensemble des pièces, ce qui réduit considérablement le coût de la machine par pièce. Le coût des matériaux s’élève à 50 à 500 USD par kilogramme consommé, selon l’alliage (le titane et l’Inconel se situent dans le haut de la fourchette, l’inox 316L dans le bas). Le post-traitement ajoute 30 à 80 % au coût de fabrication. Le coût total d’une pièce DMLS de complexité moyenne en titane s’élève généralement entre 300 et 2 000 dollars US par pièce pour des quantités de prototypes, et tombe entre 100 et 500 dollars US lorsque la fabrication est entièrement imbriquée, plusieurs pièces se partageant les frais généraux de fabrication.

Les pièces issues du procédé DMLS peuvent-elles être soudées, usinées ou soumises à un traitement de surface après l'impression ?

Oui, et le traitement en plusieurs étapes des pièces DMLS est une pratique courante pour les applications hautes performances. L'usinage CNC est le post-traitement le plus courant : le DMLS fournit la forme quasi-finale avec une géométrie interne complexe, et l'usinage CNC permet de mettre aux tolérances les surfaces d'accouplement externes critiques. Les pièces en titane issues du DMLS sont systématiquement usinées avec une tolérance de 0,005 mm au niveau des sièges de roulement et des faces de bride après un traitement de détente. Le soudage de pièces DMLS à d’autres composants ou à des matériaux forgés est possible pour la plupart des alliages à l’aide de procédés standard de soudage TIG et par faisceau d’électrons. Le comportement de la zone affectée thermiquement par la soudure est similaire à celui des équivalents forgés après que le traitement thermique post-impression a homogénéisé la microstructure. Les traitements de surface, notamment l’anodisation (pour l’AlSi10Mg), la passivation (pour les aciers inoxydables), le revêtement PVD et les revêtements barrières thermiques (pour les composants en superalliage Inconel), s’appliquent tous aux pièces DMLS selon les mêmes spécifications que pour les équivalents forgés. Le matériau est le même : ce qui change, ce sont la microstructure initiale et la porosité, qui doivent être contrôlées par les paramètres de procédé et le post-traitement avant que le traitement de surface puisse être spécifié de manière fiable.