Réimaginer l'impression 3D grâce à une stratégie d'exposition innovante

28 juin 2022 | Temps de lecture : 7 min

Chez EOS, nous explorons sans cesse de nouvelles technologies et méthodes pour améliorer le processus d'impression 3D. Notre équipe a mis au point une nouvelle stratégie d'exposition au laser qui permet d'améliorer la qualité de la production et de réduire les dépenses énergétiques.

Une nouvelle stratégie pour l'exposition au laser

Chez EOS, nous explorons sans cesse de nouvelles technologies et méthodes pour améliorer le processus d'impression 3D. Notre équipe a mis au point une nouvelle stratégie d'exposition au laser qui permet d'améliorer la qualité de la production et de réduire les dépenses énergétiques.

Pourquoi l'assurance qualité est-elle une telle préoccupation ?

L'un des principaux avantages de l'impression 3D par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles est son efficacité. Mais, comme pour toute technologie relativement nouvelle, il existe encore de nombreuses possibilités de progrès. Chez EOS, nous nous efforçons toujours d'affiner et d'améliorer le processus de fabrication additive (FA). Dans le cadre de nos efforts continus pour faire progresser la technologie et les techniques d'impression 3D, nous avons mis au point une nouvelle méthode de stratégie d'exposition qui donne d'excellents résultats par rapport à la meilleure pratique précédemment considérée.

Dans cet article, nous allons vous présenter le processus couramment utilisé de l'impression laser 3D, les défis qu'il présente et les résultats de nos recherches pour résoudre ces problèmes, qui ont abouti à la nouvelle méthodologie : Laser Center Depending exposure Strategy (LCDS). Lisez la suite pour découvrir comment un ajustement apparemment progressif peut entraîner des changements significatifs pour la fabrication additive.

Comment fonctionne l'impression 3D LPBF

Le principe de la fabrication additive se caractérise par sa structure couche par couche. La fabrication commence par un modèle généré en 3D (CAO), qui est découpé en plusieurs couches fines et envoyé à la machine FA (l'imprimante 3D). Dans l'imprimante, une fine couche de matériau en poudre est appliquée sur la plate-forme de construction et un puissant faisceau laser fait fondre la poudre à des endroits spécifiques dictés par les données de conception générées par ordinateur (le modèle CAO). La plate-forme de construction est ensuite abaissée d'une hauteur spécifique à la tâche et une autre couche de poudre est appliquée sur la plate-forme de construction. La nouvelle couche de matériau est à nouveau fondue, ce qui permet de la relier à la couche inférieure. Ces étapes sont répétées jusqu'à ce que la pièce finale soit réalisée.

Les lasers très précis utilisés dans l'imprimante se déplacent sur le lit de poudre selon un modèle prescrit, en ne tirant qu'aux moments nécessaires pour former l'objet conçu numériquement. Au fur et à mesure que chaque fine couche de poudre parfaitement homogène est ajoutée, les lasers répètent le même schéma de déplacement au-dessus du lit.

Une équipe d'ingénieurs en traitement des métaux d'EOS a mené une série d'expériences afin d'établir une autre façon de programmer l'allocation et le mouvement du laser, ce qui permet d'accroître la précision et la qualité de la construction. Toutefois, avant d'explorer cette nouvelle méthode, il est important de comprendre le fonctionnement actuel des lasers de fabrication additive.

La stratégie actuelle : DMLS

La technologie DLMS - également connue sous le nom de fusion sélective par laser (SLM), de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) ou de fusion laser-métal (LMF) - utilise un schéma de déplacement cohérent pour les lasers d'impression 3D. Ce schéma est connu sous le nom de stratégie d'exposition. Il se déplace d'un bout à l'autre du lit de poudre (direction de la bande), serpentant à gauche et à droite dans une succession alternée de passages sur la plateforme de construction (vecteurs de balayage). Les lasers se déclenchent à chaque passage, quelle que soit la direction, dans un souci de rapidité et d'efficacité.

À l'instar d'une imprimante papier classique, les lasers n'ont pas besoin de revenir d'un côté de la plate-forme de construction - la "marge", comme on le dirait sur le papier - avant d'effectuer un autre vecteur de balayage. Cela permet de gagner du temps dans le processus d'impression, mais présente également quelques problèmes potentiels.

Formation d'éclaboussures

Lorsque les lasers frappent le lit de poudre, ils frittent le matériau pour former un objet solide. Cependant, en raison de l'apport élevé d'énergie et du mouvement des lasers, certaines particules de poudre sont déviées du point d'impact. Ces particules sont également connues sous le nom de "spatter". Tout comme les grains de sable sont repoussés de l'endroit où une balle atterrit, ces particules se déplacent dans la direction dictée par l'angle d'impact.

Au cours du processus d'exposition, les lasers se déplacent dans plusieurs directions et sous différents angles par rapport au lit de poudre. En fonction de la direction du mouvement du laser, une quantité différente d'éclaboussures est éjectée/défléchie de l'endroit où se déroule le processus. Il en résulte que les particules de poudre sont déviées dans différentes directions, ce qui entraîne une accumulation inégale de poudre à des endroits aléatoires.

Défauts dans les couches

L'utilisation de vecteurs de balayage alternatifs signifie que les éclaboussures peuvent tomber n'importe où sur la plate-forme de construction, y compris sur les zones qui doivent encore être frittées. Cela signifie que la surface parfaitement plane du lit de poudre a été compromise et que les zones touchées ultérieurement par les lasers seront potentiellement irrégulières. La quantité d'éclaboussures est également importante, car une plus grande quantité d'éclaboussures signifie qu'il reste moins de matériau pour former la surface solide prévue.

Il en résulte de minuscules imperfections dans chaque couche, où trop ou pas assez de poudre était présente à certains moments du frittage. La couche de poudre suivante est donc inégale, car elle doit "combler les lacunes" là où la couche précédente ne s'est pas formée uniformément, ce qui entraîne des points où une couche n'est pas correctement reliée à la précédente. Cela crée des défauts et des faiblesses dans le produit final.

La solution : Stratégie d'exposition dépendante du centre laser (LCDS)

Grâce à des expériences approfondies, notre équipe a établi que l'utilisation de vecteurs de balayage et de bandes alternées n'est pas la stratégie la plus efficace pour le frittage laser. L'équipe a isolé de petites zones transversales de la plate-forme de construction et a testé différentes combinaisons de directions de bandes et de vecteurs de balayage unidirectionnels pour chaque centre de laser (le positionnement du laser au-dessus de la plate-forme). Certaines combinaisons ont donné des résultats de meilleure qualité que d'autres, mais ont permis à l'équipe d'identifier celles qui sont optimales pour le centre laser correspondant.

L'équipe a conclu que l'utilisation de modèles d'exposition dans lesquels les bandes et les vecteurs de balayage unidirectionnels sont alignés d'une manière spécifique avec le centre laser approprié permet de réduire les imperfections et d'augmenter l'homogénéité des pièces sur l'ensemble de la plate-forme de construction. La position du centre du laser est proposée comme critère d'orientation, raison pour laquelle la stratégie est appelée "Stratégie d'exposition dépendant du centre du laser" (LCDS).

C'est particulièrement important lorsqu'il s'agit de créer des pièces de précision, comme celles nécessaires à l'ingénierie aéronautique, où la moindre imperfection peut avoir de graves conséquences. Il est intéressant de noter que nous avons commencé à intégrer certains aspects de nos conclusions sur le LCDS dans notre logiciel d'impression 3D afin de faire bénéficier les utilisateurs de ces avantages en termes de qualité. Avec le temps, nous avons l'intention d'intégrer davantage cette nouvelle méthode dans nos produits.