Cas d'utilisation de différentes configurations de réchauffeurs pour Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

30 septembre 2021 | Temps de lecture : 7 min

En ce qui concerne les différentes options de revêtement des lames, il y a toujours eu un débat dans la communauté de la fabrication additive (FA) sur l'utilisation d'une solution de revêtement doux ou dur. Je souhaite ici donner un aperçu des différents cas d'utilisation et des avantages et inconvénients des revêtements doux et durs. 

Recouvreur dur

L'option standard pour les systèmes EOS est le dispositif de recouvrement dur, en raison de ses avantages en termes de qualité des pièces et de répétabilité. La lame rigide garantit une épaisseur de couche constante et peut éliminer les éclaboussures de la surface de la pièce qui ont été éjectées du bain de fusion pendant l'exposition et qui constitueraient un facteur de risque élevé pour l'absence de fusion dans les couches suivantes. En raison de sa forme et de sa rigidité, la lame dure compacte la poudre pendant le revêtement, ce qui permet d'obtenir un lit de poudre plus dense. Tous les paramètres de processus standard d'EOS sont développés avec des lames de rechargement dures, car elles sont très sensibles aux paramètres de processus inadaptés. Ainsi, la fenêtre du processus peut facilement être réduite à des paramètres de processus robustes, qui fournissent un processus stable.

Un rechapage dur présente une résistance à l'usure supérieure à celle des rechapages souples, ce qui garantit des propriétés de rechapage constantes, même pour les travaux de fabrication de longue durée. Les propriétés de la pièce sont donc plus constantes. Même si les dispositifs de rechargement durs sont généralement plus chers que les dispositifs de rechargement souples, leur durée de vie plus longue et la réduction de l'entretien nécessaire doivent également être prises en compte dans l'analyse des coûts.

Les industries très réglementées ont exprimé des réserves à l'égard des recouvreurs souples en polymère, car l'usure peut potentiellement entraîner une contamination de la poudre et provoquer des inclusions. Par exemple, l'industrie aérospatiale cherche particulièrement à éviter les inclusions de silicium dans ses applications de moteur. Toutefois, il ne s'agit pas d'un critère général d'exclusion.

Les applications typiques qui bénéficient des avantages des rechapages durs sont les pièces qui exigent une qualité reproductible en termes de propriétés mécaniques ou de précision dimensionnelle, ainsi que les pièces volumineuses, pour lesquelles un rechapage souple s'userait trop rapidement pour les travaux de fabrication de longue durée.

L'un des principaux défis du dispositif de réapprovisionnement dur est sa rigidité. Si la pièce entre en contact avec le dispositif de recouvrement, le risque d'interruption du travail est élevé, alors qu'un dispositif de recouvrement souple s'adapterait à la déformation de la pièce. Le contact entre la pièce et le dispositif de recouvrement se produit par exemple en raison d'une défaillance du support due à des contraintes résiduelles ou à une surchauffe causée par des paramètres de processus inadaptés.

Toutefois, pour les pièces de haute qualité ou la production en série, cet inconvénient peut également être considéré comme un avantage. Même si le travail de construction se termine par un revêtement doux, le dommage ou l'imperfection sera toujours présent à la fin et nécessitera la mise au rebut de la pièce. Il existe un certain risque que le dommage ne soit détecté qu'en aval, après le traitement thermique ou d'autres étapes de post-traitement, ce qui entraînerait des coûts encore plus élevés. Dans le pire des cas, si le défaut n'est pas du tout détecté, il peut entraîner un dysfonctionnement en cours de fonctionnement. Même si le travail s'interrompt avec une machine à recouvrir dure, l'ingénieur de FA est directement informé que quelque chose ne va pas dans la conception, les supports ou les paramètres du processus et que la pièce doit passer par l'itération suivante.

Un autre inconvénient est que toutes les forces de frottement pendant le revêtement sont transmises à la pièce, en raison de la rigidité de la lame. Ce fait limite la constructibilité lorsqu'il s'agit de rapports d'aspect élevés. Pendant le rechargement, les forces de frottement peuvent déformer la pièce ou provoquer des vibrations qui perturbent le lit de poudre. Ce problème peut être partiellement atténué par des paramètres de processus adaptés, qui tiennent compte de la situation thermique de la pièce, mais il reste un facteur limitant pour les conceptions hautes et minces.

Les objets fins tels que les structures en treillis pour les applications médicales montrent toutefois que les pièces fragiles peuvent assez facilement être fabriquées avec un vernis dur en adaptant les paramètres du processus. Les bonnets de hanche sont un bon exemple de pièces aux structures fines mais aux exigences de qualité élevées, pour lesquelles un vernis dur peut s'avérer utile.

Il existe deux types différents de revêtement dur pour les machines EOS : HSS (acier rapide) et céramique. Le choix de la configuration du dispositif de recouvrement dépend du matériau utilisé. Pour la plupart des matériaux, la lame HSS est utilisée, car même si elle est durcie, elle présente encore une certaine ductilité. Par conséquent, le risque d'entailles après contact avec la pièce est plus faible qu'avec le dispositif de rechargement en céramique. Toutefois, en cas d'entailles après un travail brutal, par exemple en raison d'une défaillance du support, la lame ne doit pas être remplacée, mais peut être rectifiée avec soin.

Si le matériau est magnétisable, il faut choisir une lame de recouvreur de type céramique. Dans le cas contraire, la poudre adhérerait à la lame et provoquerait des stries lors du revernissage. Les aciers tels que CX, PH1, 17-4PH ou MS1 font partie de la gamme EOS. Contrairement à la lame HSS, les entailles potentielles ne peuvent pas être rectifiées en raison des caractéristiques fragiles de la céramique. Cependant, le matériau est extrêmement résistant à l'usure.

Recycleurs souples

Le principal avantage des options de réapprovisionnement souple est la réduction des forces de réapprovisionnement sur la pièce pendant le réapprovisionnement. Comme le dispositif de recouvrement est plus souple, il peut céder si les forces de frottement deviennent trop importantes ou il peut s'adapter dans une certaine mesure au profil d'une pièce si celle-ci est déformée et adhère au lit de poudre. Il en résulte deux cas d'utilisation principaux qui bénéficient des avantages des dispositifs de rechargement souples :

1. la possibilité de construire plus facilement des pièces à rapport d'aspect élevé et des caractéristiques fragiles 
2. la probabilité plus faible d'interruptions de travail dues à des bourrages de la machine à recouvrir. En particulier dans le domaine du prototypage, les résultats à court terme sont souvent plus importants que la qualité des pièces. C'est la raison pour laquelle de nombreux prestataires de services utilisent généralement des recouvreurs souples afin de respecter des délais de livraison serrés. En outre, chaque tâche bloquée augmente les coûts de fabrication.

Les principaux inconvénients des dispositifs de recouvrement souples ont déjà été brièvement mentionnés ci-dessus dans la comparaison avec les dispositifs de recouvrement durs. L'usure accrue du dispositif de recouvrement peut affecter les propriétés des pièces lors de longs travaux de construction, car il n'est pas possible de garantir un comportement de recouvrement constant sur toute la hauteur de construction. En outre, en cas de déformation de la pièce, par exemple en raison d'une fixation insuffisante sur la plaque de construction, le travail se poursuit mais la pièce a une forte probabilité d'être hors spécifications en ce qui concerne la précision dimensionnelle. Par conséquent, l'achèvement réussi d'un travail ne signifie pas nécessairement que la pièce est conforme aux spécifications.

Néanmoins, le recouvreur souple est un outil utile dont la nécessité dépend de l'application. Elle peut devenir la solution la plus économique pour certaines applications qui présentent les caractéristiques mentionnées ci-dessus : un rapport d'aspect élevé, des caractéristiques fragiles ou la nécessité d'obtenir des résultats à court terme.

EOS propose trois options différentes de recouvreurs souples. Le recouvreur à brosse en fibre de carbone qui est déjà disponible depuis de nombreuses années et deux types de recouvreurs en polymères mentionnés ci-dessus pour l'industrie de l'automobile. EOS M 290: Silicone et caoutchouc nitrile-butadiène (NBR).

La brosse à rechampir est équipée d'une collection de fibres de carbone courtes, qui sont montées dans un support. Il peut présenter de légers avantages par rapport aux lames en polymère, mais il est plus cher. En cas de contact avec la pièce, la probabilité que la brosse soit endommagée de manière permanente est légèrement inférieure à celle de l'option polymère, car les fibres peuvent se plier latéralement dans une certaine mesure. En outre, l'effet des forces de frottement est plus localisé car la pièce n'interagit qu'avec une certaine quantité de fibres, ce qui le rend supérieur pour la construction de pièces fragiles. 

Les deux types de revêtement en polymère pour le EOS M 290 sont également disponibles pour les systèmes à grand cadre EOS M 400 et EOS M 400-4. La façon la plus simple de les distinguer est la couleur : la lame en silicone est transparente et celle en NBR est noire, mais il existe également des différences en termes de propriétés et de cas d'utilisation. Le matériau NBR est spécifié pour une utilisation jusqu'à 80 °C et le matériau silicone convient aux travaux de construction à plus haute température.

Afin de montrer les capacités des nouvelles options de revêtement souple des polymères, nous avons construit quelques pièces à fort rapport d'aspect avec des lettres EOS M 290 afin d'augmenter encore le défi. Materialise Magics a été utilisé pour créer les supports d'arbre, qui ont un rapport d'aspect maximal de 66 (2,5 mm de diamètre pour une hauteur de 165 mm). L'écriture EOS M 290 au sommet a été conçue à l'aide du logiciel Materialise 3-matic et consiste en un treillis à base de mailles avec des graphiques de volume à l'intérieur. En outre, le support fin du logo EOS a été créé à l'aide du logiciel e-Stage de Materialise, qui permet une génération entièrement automatisée du support et peut contribuer à économiser le matériel nécessaire au support ainsi qu'à réduire considérablement le temps de préparation des données. Le tout a ensuite été imprimé sur un site EOS M 290 avec EOS Aluminum AlSi10Mg et le nouveau procédé AlSi10Mg 60 µm Core.

Conclusions

Il existe un cas d'utilisation approprié pour chaque type de dispositif de recouvrement. EOS considère le recycleur dur comme l'option standard pour les pièces présentant les exigences les plus élevées en termes de qualité reproductible, tandis qu'un recycleur doux permet d'obtenir des pièces présentant des rapports d'aspect élevés. En outre, un dispositif de recouvrement souple est préférable lorsque le délai de production est plus important que le risque d'imperfections. EOS propose des recouvreurs durs et souples, ce qui vous permet de choisir facilement celui qui convient le mieux à votre application.