Dans le cadre de la fabrication additive paysage, en choisissant entre jetting de liant métallique vs frittage laser direct de métal est un moyen efficace de déterminer la réussite du projet. Le meilleur atout de cette méthode est sa rentabilité et son efficacité en termes de production. Avec le temps, le impression 3D de métaux de précision progresse progressivement, et la compréhension de ces deux technologies fondamentales devient cruciale pour les ingénieurs, les concepteurs et les fabricants qui recherchent la solution optimale pour l'utilisation de l'énergie solaire. solutions de fabrication additive métallique.

Bien que ces deux procédures constituent des développements importants dans le domaine de l'impression 3D industrielle, elles ont des utilisations très différentes dans l'industrie de l'AM métallique. Afin de vous aider à faire le choix difficile entre l'impression 3D par jet de métal et la fusion laser sur lit de poudre (LPBF), cette analyse approfondie compare ces technologies de prototypage rapide dans la production manufacturière.

Ce manuel complet couvre toutes les facettes du frittage direct de métaux par laser (DMLS) et du jet de liant métallique, vous donnant les connaissances nécessaires pour faire des choix de fabrication qui répondent à vos besoins uniques et à vos limites financières.

Comprendre la technologie de projection des liants métalliques : Traitement avancé des lits de poudre

Qu'est-ce que le jet de liant métallique dans la fabrication additive ?

Une technique de fabrication additive de pointe appelée Metal Binder Jetting (MBJ) applique des liants liquides à des lits de poudre métallique de manière sélective. Le processus d'impression 3D par jet de liant, également connu sous le nom d'impression 3D par jet de métal, est une avancée d'une procédure datant d'une décennie ou plus, connue sous le nom de DMLS (frittage laser direct de métaux). Cette technologie d'impression 3D industrielle, l'un des sept types de fabrication additive, présente des avantages particuliers pour la fabrication à grande échelle. Deux matériaux sont utilisés dans le processus de projection de liant : un liant et une substance à base de poudre. Généralement, le matériau de construction se présente sous forme de poudre et le liant sous forme liquide. Cette nouvelle méthode utilise la liaison chimique au lieu de la fusion thermique, suivie de procédures cruciales de frittage et de déliantage, pour produire des "pièces vertes" contrairement aux technologies basées sur la fusion.

Le processus de projection de liant métallique

1. Étalement de la poudre : La plate-forme de construction est uniformément recouverte de poudres métalliques fines.
2. Liaison sélective : Le liant liquide est déposé avec précision sur les zones spécifiées par des têtes à jet d'encre industrielles.
3. Bâtiment en couches : En répétant la procédure couche par couche, on obtient des structures tridimensionnelles complexes.
4. Vert Enlèvement des pièces : Retirer avec précaution les composants liés du lit de poudre
5. Débouclage : Le liant est éliminé par des méthodes thermiques ou chimiques.
6. Frittage : Le processus de fusion de particules métalliques en pièces denses et utiles dans un four à haute température.

Principaux avantages de la projection de liants métalliques

Vitesse de production supérieure pour la fabrication en grande série : Le jet de liant est l'option recommandée pour l'impression 3D de métaux en volume, car il permet de produire des matériaux 10 à 100 fois plus rapidement que le DMLS. La personnalisation de masse et les scénarios de production en petite série sont rendus possibles par cette capacité de fabrication rapide, ce qui n'est pas possible avec la fabrication additive conventionnelle basée sur le laser.

Fabrication additive sans support : Il n'y a pas besoin de structures de support supplémentaires et il y a moins de déchets de matériaux car, contrairement aux procédés de fusion sur lit de poudre laser (LPBF), le lit de poudre environnant supporte naturellement les caractéristiques en surplomb et les géométries complexes. Grâce à cet avantage, la fabrication de géométries complexes est possible sans les limitations de conception liées aux procédés de fusion thermique.

Production en volume rentable : Le jet de liant est la meilleure option pour l'impression 3D de métaux à faible coût, car il est précis, rapide et moins coûteux que les techniques de fusion sur lit de poudre comme le DMLS. Cette méthode de fabrication additive économique offre des avantages substantiels pour la fabrication de volumes moyens en utilisant efficacement la poudre et en nécessitant moins de post-traitement.

Flexibilité de la conception : Sans les limites de la fabrication conventionnelle, il est désormais possible d'obtenir des géométries complexes, des structures en treillis et des canaux internes complexes.

Polyvalence des matériaux : Convient à une gamme de poudres métalliques, telles que les alliages de cuivre, les aciers à outils, les aciers inoxydables et les matériaux spéciaux destinés à des usages particuliers.

Densité et performance de la projection de liants métalliques

Grâce à l'optimisation du processus, il a été démontré que la projection de liant métallique permettait d'obtenir des améliorations notables de la densité. Par rapport aux distributions de poudre standard, les distributions de taille bimodale ont démontré une augmentation statistiquement significative de la densité de 20% et de la résistance ultime à la flexion de 170%. Il a été démontré que dix matériaux peuvent atteindre une densité relative supérieure à 90% avec la bonne procédure de frittage et l'optimisation des paramètres.

Selon les études, l'acier inoxydable 316L a subi des tests de frittage à 1300°C et 1370°C, donnant des densités relatives de 85,0% et 96,4%, respectivement. Ces résultats peuvent être encore améliorés grâce à des méthodes de traitement sophistiquées, le HIP de pièces imprimées et frittées à l'aide de poudres bimodales produisant une densité maximale de 97,32%.

Comprendre le frittage laser direct de métaux (DMLS) : Fusion laser avancée sur lit de poudre

Qu'est-ce que le DMLS dans la fabrication additive métallique ?

Utilisation de puissants lasers à fibre, Frittage direct de métaux par laser (DMLS) fusionne sélectivement des particules de poudre métallique à des températures proches de leur point de fusion. La fusion sur lit de poudre (PBF), terme normalisé par l'ASTM, est un autre nom pour le frittage laser direct des métaux (DMLS). L'une des techniques d'impression 3D de métaux les plus populaires pour les applications de fabrication de haute performance et de précision est la fusion laser sur lit de poudre (LPBF). La FPL est une technique de fabrication additive, d'impression 3D ou de frittage laser. prototypage rapide qui utilise un laser de haute puissance pour faire fondre et fusionner des poudres métalliques.

Le flux de travail du processus DMLS :

1. Préparation de la CAO : Les modèles numériques sont découpés et utilisés pour créer des structures.
2. Application de la poudre : Couches minces de poudre métallique dispersées avec précision
3. Scanner laser : En utilisant la géométrie de la section, les lasers à fibre frittent sélectivement la poudre.
4. Abaissement de la plate-forme : Construire une plate-forme qui s'abaisse pour faire de la place aux couches suivantes.
5. Répétition des couches : La procédure se poursuit jusqu'à ce que la pièce soit entièrement formée.
6. Démontage et refroidissement : Le refroidissement contrôlé permet d'éviter les déformations et les contraintes thermiques.
7. Après traitement : Finition de la surface, enlèvement du support et traitement thermique éventuel

Principaux avantages du frittage direct de métaux par laser

Des propriétés mécaniques supérieures pour des utilisations cruciales : Les pièces traitées par DMLS ont généralement une densité élevée (environ 95%) et des qualités mécaniques supérieures, ce qui rend cette méthode d'impression 3D de métaux à haute résistance parfaite pour l'ingénierie de précision, la fabrication d'appareils médicaux et la fabrication aérospatiale. Avec des densités allant jusqu'à 99,5% de métal solide, le DMLS crée des pièces dont les propriétés mécaniques sont similaires à celles des matériaux corroyés.

Excellente précision dimensionnelle et qualité de surface : Les excellents états de surface et les tolérances dimensionnelles font des composants frittés au laser la solution idéale pour les applications de fabrication de précision qui nécessitent peu de post-traitement.

Performance des matériaux avancés : La technique DMLS permet de traiter des alliages à haute performance en utilisant des particules de poudre partiellement fondues par le faisceau laser. Les alliages d'aluminium (AlSi10Mg) et de titane (Ti6Al4V) se sont révélés remarquablement prometteurs en DMLS pour les applications biomédicales et d'autres situations de fabrication cruciales qui nécessitent des matériaux du plus haut calibre.

Intégrité structurelle et propriétés des matériaux : Les pièces obtenues par frittage direct de métaux par laser sont plus résistantes, plus denses et plus précises que les pièces en métal moulé. Cette technologie de fusion sur lit de poudre permet d'obtenir une excellente adhérence des couches et un contrôle de la microstructure, ce qui confère aux matériaux les propriétés isotropes nécessaires pour les applications porteuses.

Une production précise : Parfaite pour les applications techniques complexes, elle permet d'obtenir une résolution fine des caractéristiques et des tolérances serrées.

Caractéristiques de performance DMLS

Bien que les études montrent que le SLM/DMLS peut créer des composants métalliques de pleine densité à partir de matériaux difficiles, il souffre souvent de contraintes résiduelles importantes qui s'ajoutent pendant le traitement. Pour créer les inserts de moules 3D qui pourront être utilisés dans les applications de RP à l'avenir, l'opération DMLS peut être préférée à l'utilisation de méthodes de post-traitement, de liant et de force mécanique.

Jetting de liant métallique vs frittage laser direct de métal : Comparaison détaillée

Comparaison de la vitesse de fabrication et du débit de production

Avantages de la vitesse de projection des liants métalliques pour la production à grande échelle :

• Des taux de construction dix fois plus rapides que les méthodes basées sur le laser
• La fabrication par lots et la production de pièces sont rendues possibles par l'utilisation de plusieurs têtes d'impression à jet d'encre.
• Les temps de refroidissement typiques des processus de fusion thermique sont éliminés par le fonctionnement sans chaleur.
• Temps d'installation plus court grâce à des capacités de fabrication qui ne nécessitent pas d'assistance
• Dispersion continue de poudres sans temps d'attente pour la chaleur
• Production en grande série avec une optimisation supérieure du débit

Facteurs de vitesse DMLS pour une fabrication précise :

• Dans la fusion laser sur lit de poudre, le balayage laser séquentiel limite la vitesse totale de construction.
• Dans le traitement thermique, des temps de refroidissement entre les couches sont nécessaires.
• La création de structures de soutien allonge les temps de traitement et utilise davantage de matériaux.
• Des temps de balayage plus longs sont nécessaires pour l'assurance qualité lorsque les exigences de précision sont plus élevées.
• L'optimisation du débit dans les applications critiques est limitée par les exigences en matière de densité énergétique.

Analyse de la densité des pièces et des propriétés mécaniques

Comparaison complète des performances des processus d'AM des métaux :

¹ Basé sur des recherches montrant des densités de 85,0% et 96,4% à 97,32% avec un traitement avancé. ² Sur la base d'études indiquant une densité d'environ 95% avec d'excellentes propriétés mécaniques

Cadre d'analyse économique pour le retour sur investissement de l'impression 3D de métaux

Jetting de liant métallique : avantages en termes de coûts pour la production manufacturière :

• Coût d'achat de l'équipement moins élevé que celui des systèmes laser
• Diminution de la consommation d'énergie lors de l'impression
• Réduction des déchets matériels avec des exigences minimales en matière de matériel de soutien
• Taux effectifs d'utilisation des poudres (>95%) dans la fabrication par lots
• Procédures de post-traitement rationalisées pour une production économique
• Avantages des économies d'échelle dans la fabrication de volumes moyens à élevés

Considérations sur les coûts de la DMLS pour les applications de précision :

• Les systèmes laser nécessitent un investissement initial plus important.
• Consommation d'énergie plus élevée en raison des opérations laser puissantes
• Structure de soutien pour les opérations d'enlèvement et les coûts des matériaux
• les besoins spécifiques en matière d'atmosphère inerte (gaz argon/azote)
• Techniques de post-traitement étendues, telles que le traitement thermique
• Coûts du contrôle de la qualité pour les applications importantes et les spécifications de certification

Compatibilité des matériaux et traitement des alliages avancés

Portefeuille de matériaux de projection de liant à usage industriel : Parmi les nombreux matériaux qui ont été traités avec succès dans le cadre de la recherche, on compte dix matériaux dont la densité relative est supérieure à 90% dans les applications de métallurgie des poudres.

Applications nécessitant une résistance à la corrosion à l'aide d'aciers inoxydables (316L, 17-4PH et 420)

• Aciers à outils (H13, D2 et M2) pour la fabrication de matrices et d'outils
• Applications du cuivre et des alliages de cuivre dans le contrôle électrique et thermique
• Compositions en laiton et en bronze pour éléments ornementaux et pratiques
• Matériaux magnétiques spécifiques destinés à être utilisés dans les champs électromagnétiques

Capacités avancées de la DMLS en matière de matériaux pour des utilisations à haute performance : L'impression DMLS peut traiter une large gamme de métaux et d'alliages métalliques, ce qui permet de réaliser des applications biomédicales et aérospatiales.

• Ti-6Al-4V et Alliages de titane Ti-6Al-7Nb pour les éléments structurels légers
• Alliages d'aluminium destinés à être utilisés dans les automobiles et les avions (AlSi10Mg, AlSi7Mg)
• Superalliages à base de nickel (Inconel 718, 625) pour utilisation à des températures élevées
• Alliages cobalt-chrome pour les pièces résistantes à l'usure et les implants biomédicaux
• Matériaux durcis par précipitation et les aciers maraging pour applications d'outillage

Sélection stratégique des applications : Quand choisir chaque procédé d'impression 3D de métaux

Quand choisir le jet de liant métallique pour la fabrication en série ?

Applications optimales pour une fabrication additive rentable :

• Les pièces de moteur, les boîtiers de transmission et les systèmes de gestion de la chaleur sont des exemples de composants automobiles.
• Outillage industriel : Fixations, gabarits et aides à la production sur mesure modérément robustes
• Biens de consommation : Prototypes fonctionnels, éléments ornementaux et composants matériels
• Production en volume : Fabrication efficace par lots, en moyennes séries (100 à 10 000 unités)
• Sensible aux projets de coûts : Des applications qui privilégient l'accessibilité financière aux performances optimales

Dans les applications aérospatiales, où les fabricants optent pour la projection de liant en raison de ses capacités de vitesse et de sa liberté de conception pour les composants non critiques et les applications de prototypage rapide, la technologie est particulièrement efficace.

Quand choisir le frittage laser direct de métaux pour les applications critiques ?

Cas d'utilisation idéaux pour la fabrication additive de métaux à haute performance :

• Applications aérospatiales : Éléments structurels, pièces de turbines et composants de vol cruciaux nécessitant une certification aérospatiale
• Dispositifs médicaux comprennent des dispositifs spécifiques aux patients, des outils chirurgicaux et des implants biocompatibles.
• Ingénierie de précision : Composants à haute tolérance nécessitant une qualité de surface et une précision dimensionnelle supérieures

Les applications exigeant les propriétés mécaniques et les normes de fiabilité les plus élevées sont des exemples de composants dont les performances sont critiques.

Développement de prototypes : Validation de la conception par des essais fonctionnels des propriétés des matériaux utilisés en fin de vie

Pour les applications critiques où la traçabilité des propriétés des matériaux est exigée par les exigences de certification des matériaux et où la défaillance des pièces est inacceptable, le DMLS excelle.

Intégration de l'industrie 4.0 et capacités de fabrication numérique

Intégration de la fabrication intelligente pour une production moderne

Les procédures de DMLS et de jet de liant métallique s'imbriquent toutes deux facilement dans les projets de l'industrie 4.0, offrant des capacités de fabrication numérique qui révolutionnent les flux de production conventionnels :

Technologie de jumelage numérique : Grâce à l'intégration de capteurs et à des algorithmes d'apprentissage automatique, les deux procédures permettent d'optimiser la qualité et de contrôler les processus tout en prenant en charge la surveillance en temps réel et l'analyse prédictive.

Optimisation de la chaîne d'approvisionnement : Les stratégies de personnalisation de masse et de production distribuée rendues possibles par la capacité de fabrication à la demande peuvent réduire les besoins en stocks et permettre aux chaînes d'approvisionnement mondiales d'accéder à de nouveaux ensembles de produits et de services. 

Traçabilité et assurance qualité : La traçabilité des pièces produites peut être entièrement identifiée depuis le lot de poudre jusqu'à l'inspection finale grâce à la surveillance avancée des processus qui contribue à la certification des dispositifs médicaux et aux besoins de certification aérospatiale. 

Considérations sur la qualité et opérations de post-traitement

Stratégies d'optimisation de la qualité des jets de liants métalliques

Optimisation avancée du frittage: En frittant les composants à 1485 C pendant 5 à 30 minutes (pression de 1,83 MPa), il a été possible d'obtenir des densités proches de la théorie de 14,1 à 14,2 g/cm 3. Des régimes de température, une atmosphère et des vitesses de refroidissement appropriés ont un effet important sur les propriétés de la pièce finie et sur sa stabilité dimensionnelle. 

Optimisation de la densité de la distribution de la taille des particules : Mélanges multimodaux (bimodaux ou trimodaux) Emballage plus dense que les composants du mélange, et les fractions de mélange optimales indiquent les meilleures densités d'emballage du mélange pour améliorer la mécanique. 

Méthodes de traitement secondaire : Dans le cas de certaines spécifications techniques exigeant de meilleures performances, des opérations d'infiltration utilisant du bronze ou des substances de type polymère amélioreront les propriétés de densité et de résistance. 

Processus de finition de surface : Les revêtements, les processus de finition chimique et mécanique améliorent l'élément opérationnel de la pièce et la résistance à la corrosion de la surface. 

Protocoles avancés d'assurance qualité du DMLS

Contrôle des processus en temps réel: Dans la fabrication additive L-PBF, grâce à l'apprentissage automatique, la fusion de capteurs peut fournir une détection in situ en temps réel des défauts pendant la fabrication, ce qui améliore considérablement le contrôle de la qualité du processus et réduit la quantité d'outils d'inspection non destructifs tels que la tomographie par rayons X (XCT) qui doivent être utilisés pour atteindre la même qualité. 

Optimisation du traitement thermique : Les procédés thermiques appliqués après le traitement thermique contribuent à la stabilité dimensionnelle et à la production de propriétés homogènes des matériaux en optimisant la microstructure et en éliminant les contraintes induites par le refroidissement à haute vitesse. 

La finition additive des surfaces critiques et l'usinage à haute tolérance avec la CNC conventionnelle, même pour les finitions critiques, sont possibles, tout en conservant les avantages de la fabrication additive ; cela est possible en combinant le DMLS avec l'usinage CNC conventionnel. C'est ce que l'on appelle l'intégration de la DMLS et de l'usinage CNC conventionnel. fabrication hybride. 

Évolution de la technologie et considérations futures

Nouvelle chimie des liants : Les nouveaux agents liants améliorent la compatibilité des matériaux, réduisent les temps de déliantage et rendent les pièces vertes plus résistantes. 

Capacité multi-matériaux : Le traitement de plus d'une poudre métallique à la fois permet de combiner l'intégration fonctionnelle des pièces et les matériaux à gradient. 

Automatisation des processus : Le traitement automatisé des pièces, la suppression de la complexité du post-traitement, l'automatisation du retrait des pièces et la manipulation intégrée des poudres réduisent la main-d'œuvre et permettent d'atteindre des niveaux élevés de cohérence. Progrès de la technologie DMLS. Le système laser : L'amélioration du système laser par l'utilisation de systèmes multi-laser, d'une densité de puissance élevée et d'une meilleure qualité de faisceau, peut être accrue pour augmenter le débit sans compromettre la précision. 

Développement des poudres : L'amélioration des caractéristiques des particules et le développement de nouvelles combinaisons d'alliages permettent d'accroître la fiabilité du traitement et le potentiel d'application. 

Surveillance des processus : Les technologies de détection modernes permettent un contrôle de la qualité et une maintenance prédictive du processus en temps réel. 

Faire le bon choix : Cadre de décision

Évaluation des exigences techniques

Priorités en matière de forces et de performances :

• Pour tirer le meilleur parti des aspects mécaniques et de l'intégrité structurelle, choisissez le DMLS. 
• Si les exigences de résistance sont modérées et qu'un avantage en termes de coûts est souhaité, il convient d'utiliser la projection de liant.

Évaluation de la complexité géométrique : 

• La projection de liant est également extraordinaire dans les régions à géométrie interne complexe et n'est pas soumise à la contrainte des structures de soutien. 
• Le DMLS est une valeur exceptionnelle en termes d'exigences dimensionnelles clés. 

Volume et facteurs temporels : 

La projection de liant est plus efficace lorsqu'un grand volume de production est disponible. Le DMLS peut être utilisé pour des applications de faible volume et de haute précision. 

Méthodologie de l'analyse économique : Calcul du coût total de possession

Investissements en matériel : Coûts initiaux de la machine/des installations requises 

Coût des matériaux : Le coût de la poudre, le liant utilisé et les déchets 

Délai de traitement : Taux de main-d'œuvre et débit. 

Les dépenses d'entretien couvrent les coûts des contrats de service et le remplacement des pièces consommables. 

Applications industrielles et études de cas

Mise en œuvre dans l'industrie aérospatiale

Dans un domaine particulier, les applications aérospatiales, où les deux procédés sont utilisés de manière potentiellement critique, la plupart des chercheurs et des entreprises considèrent aujourd'hui que les technologies SLM (Selective Laser Melting) et DMLS (Direct Metal Laser Sintering) sont presque synonymes.

Évolutivité dans l'industrie manufacturière

Les recherches actuelles portent sur la manière dont la densité, la texture, les caractéristiques de surface et la microstructure des alliages utilisés dans le procédé de projection de liant sont influencées par la qualité des poudres et des liants, les variables de traitement et les méthodes de frittage. 

Guides professionnels et bonnes pratiques Stratégies d'optimisation pour les deux technologies

Conception pour la fabrication additive (DfAM) : Tirer parti des propriétés uniques des deux technologies dans la conception des composants. Optimiser intelligemment la géométrie pour minimiser les deux traitements ultérieurs. Tenir compte de l'impact de l'orientation et des propriétés du matériau utilisé. 

Guides d'assurance qualité : Élaborer des régimes d'essais approfondis pour les applications essentielles. Documenter les processus et suivre les matériaux. Établir des critères d'acceptation en fonction des exigences spécifiques de l'utilisation finale. 

Conclusion : Décisions stratégiques en matière de fabrication

Si l'on compare la projection de liant métallique et le frittage direct par laser, l'application est un facteur qui doit être fortement pris en compte en raison de la criticité de l'application, des volumes de production, des limitations de coût et des besoins de performance de l'application. À en juger par les études, le jet de liant métallique présente des avantages marqués pour la production de volumes économiques avec des densités relatives supérieures à 90 % en contactant des conditions de traitement optimales, tandis que le DMLS présente une densité élevée (environ 95 %) et des propriétés mécaniques supérieures pour répondre aux exigences les plus strictes. La connaissance de ces technologies de fabrication additive en relation avec l'impression 3D de métaux et la fusion sur lit de poudre permet aux fabricants de réaliser le service de personnalisation de masse, de fabrication de production et de prototypage rapide, qui est la marque de la plupart des solutions d'impression 3D industrielles modernes. 

Nous disposons ainsi d'une connaissance approfondie des technologies d'impression 3D par jet de métal et de fusion sur lit de poudre laser, ce qui nous permet d'aider nos clients à trouver la solution de fabrication idéale. Notre équipe d'ingénieurs professionnels évalue les exigences spécifiques de chaque projet et présente l'approche de fabrication additive la plus prometteuse pour atteindre vos objectifs de production et répondre à vos exigences de qualité. Le choix de la technologie peut être un facteur déterminant dans la réussite de votre projet, qu'il s'agisse d'une pièce industrielle pour laquelle l'entreprise souhaite obtenir le résultat final le plus bas possible, ou d'un composant aérospatial qui doit être au maximum de ses capacités. Connaître les différences fondamentales, les forces et les faiblesses de chacun des procédés peut permettre de prendre des décisions mieux informées afin de maximiser les performances techniques ainsi que la viabilité économique. 

Êtes-vous prêt à étudier la fabrication additive métallique dans le cadre de votre prochaine entreprise ?

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Références

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Elite Mold Tech se spécialise dans les solutions de fabrication avancées, offrant une expertise dans l'usinage CNC, le prototypage rapide et les technologies de fabrication additive métallique. Notre engagement envers l'ingénierie de précision et la réussite des clients garantit des résultats optimaux pour les projets dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine et de l'industrie.