Nouvelles machines AM, les matériaux remplissent les niches

Dec 02, 2023

Les fabricants de nouvelles machines et de nouveaux matériaux pour la fabrication additive vantent leurs produits pour les niches qu'ils occupent, par exemple la fabrication d'outils et la production en atelier d'usinage. Ils parlent aussi de durabilité.

En fait, Forust, filiale de Desktop Metal, dispose d'un nouveau procédé d'impression 3D appelé Forust qui recolle essentiellement les arbres ensemble. Le procédé utilise le jet de liant et deux sous-produits de l'industrie du bois, la sciure de bois et la lignine. Une partie de la sciure de bois provenant de la fabrication du papier, de la construction des maisons et des meubles est récupérée. Le reste est incinéré ou mis en décharge, selon le site Web de Forust.

"Quand nous avons vu cela, nous avons dit:" Nous pouvons prendre cette matière première essentiellement gratuite et si nous pouvons trouver comment la recoller pour en faire un produit fini, nous pouvons reconstruire des arbres "", a déclaré Jonah Myerberg, CTO, Desktop Metal, Burlington, Mass. "Nous pouvons prendre le bois de ces processus et le coller ensemble pour former des morceaux de bois qui seraient normalement coupés des arbres."

AM with Forust est similaire à l'impression 3D avec du sable, a-t-il déclaré. Non seulement il est possible d'imprimer la sciure de bois avec un grain de bois d'aspect naturel, mais lorsque vous percez un trou dans une pièce, le grain apparaît dans le vide.

"C'est le fer de lance d'un plus grand projet pour nous, qui est le recyclage des matériaux", a déclaré Myerberg. "Comment pouvons-nous réutiliser des matériaux au lieu d'utiliser des matières premières fraîches ? C'est l'une de nos grandes missions pour les 20 prochaines années."

Une autre nouveauté de Desktop Metal est un système de projection de liant métallique conçu pour les ateliers d'usinage, le Shop System.

Les nouveautés d'autres fabricants sont des résines pour concevoir vos propres formulations de céramique, un nouveau matériau à utiliser dans les imprimantes céramiques d'une entreprise, un fabricant de machines FA industrielles qui propose son premier modèle de bureau et une combinaison imprimante-CNC qui crée ses propres parcours d'outils.

Mantle Inc., San Francisco, a décidé d'inclure la création automatisée de trajectoires d'outil dans le logiciel de sa machine hybride AM-CNC. C'était à la lumière du manque de machinistes qualifiés et du temps et de l'argent que les clients investissent dans la création de stratégies étape par étape pour que ces machines fassent leur travail.

"Nous pensons que c'est quelque chose qui est une partie très importante de la valeur apportée par notre solution", a déclaré Paul DiLaura, directeur commercial de Mantle.

Nilesh Dixit, responsable des logiciels chez Mantle, a dirigé l'équipe qui a créé des applications sur le logiciel Internet des objets Predix chez GE Digital.

Le logiciel de Mantle pour son imprimante remplit une double fonction en ce sens qu'il doit créer des parcours d'outils non seulement pour la pâte fluide à base de métal qui est extrudée à partir de la buse d'impression ; il doit également déterminer le bon chemin pour le fraisage effectué à l'intérieur de la boîte d'impression lors de la construction d'une pièce.

La façon dont cela fonctionne est qu'une ou plusieurs tranches d'une pièce sont imprimées en couches d'environ 100 µm sur la plaque de construction, puis sont chauffées et séchées, ce qui élimine presque tout le solvant liquide de la pâte. Les particules métalliques dans la pâte s'emballent par la suite, "et elles sont assez denses à ce stade", a déclaré DiLaura. "Ils sont suffisamment fermes pour conserver la forme de ce qui a été imprimé, mais ils sont suffisamment souples pour pouvoir être usinés très facilement." À la fin des processus d'impression et d'usinage, la pièce est placée dans un four de frittage où elle rétrécit de 8 à 10 % (les pièces métalliques imprimées par d'autres procédés 3D peuvent rétrécir davantage, de 17 à 25 %, selon DiLaura).

Le processus, que Mantle appelle "TrueShape", permet à l'utilisateur de couper des canaux de refroidissement conformes et des fonctionnalités très profondes, a-t-il déclaré.

"Le fraisage est ce qui nous permet d'atteindre la précision nécessaire à l'outillage", qui est le créneau de marché de 45 milliards de dollars que Mantle espère occuper avec sa machine, a déclaré DiLaura.

"Nous avons pris la décision de nous concentrer exclusivement, au début, totalement sur les composants d'outillage", a déclaré DiLaura. "Ce sont principalement des inserts, des cavités et des noyaux pour moules et matrices. Je dirais que la majorité de ce sur quoi nous travaillons sont des outils de moulage par injection, des cavités et des noyaux. C'est ce qui intéresse la majorité de nos clients, mais nous avons également travaillé avec le moulage sous pression, le formage des métaux, l'emboutissage - vraiment tout ce qui concerne notre acier à outils."

La startup a également décidé de rendre sa machine facile à utiliser par presque tout le monde dans ce que DiLaura a décrit comme une opération "sans intervention".

"Nous avons eu le propriétaire d'un fabricant d'outils dans notre bureau l'autre jour et il a vu cette partie particulière que nous avions imprimée et il a dit:" Il me faudrait un an pour former quelqu'un à la fabrication ", et il a été un peu époustouflé par le fait qu'il ne nécessite pas vraiment de formation avec notre système ", a déclaré DiLaura.

Mantle propose deux matériaux : le P2X agit comme l'acier à outils P20, mais avec une meilleure résistance à la corrosion et à l'abrasion ; et H13, qui agit comme l'acier à outils standard H13 et peut être généralement durci à 50-52 Rockwell C.

Alors que Mantle propose sa première machine, le fabricant d'imprimantes industrielles et dentaires Nexa3D a présenté son premier modèle de bureau, XiP (prononcé "zip"). "Nous avons une machine industrielle dont nous savons qu'elle peut fabriquer de nombreuses pièces de production… mais comment arrive-t-on à cet état final ? Nous devons concevoir une pièce."

Parce que Nexa3D ne voulait pas imposer un nouveau processus et des matériaux différents à ses clients qui souhaitent concevoir une pièce sur le bureau, le processus de photodurcissement de la sous-couche lubrifiante (LSPc) de XiP est similaire à celui des imprimantes industrielles de l'entreprise. Pour cette raison, les équipes de conception et de R&D peuvent "continuer à avancer rapidement", a déclaré Currie.

La technologie de Nexa3D, XiP, entre dans la catégorie de la polymérisation en cuve, ou stéréolithographie. À l'intérieur de la machine, une source lumineuse éclaire par le bas une cuve de résine photopolymère liquide. La source lumineuse est placée à travers un système de lentilles pour former un plan de lumière uniforme qui baigne un écran LCD, qui agit comme un masque pour la lumière sous la forme d'une couche partielle particulière. Après durcissement de la couche, celle-ci est séparée - ou "pelée" - de la surface de la membrane de la cuve et une nouvelle couche est ajoutée jusqu'à ce que la pièce soit terminée.

"LSPc est une technologie de film avancée qui permet à nos pièces de se libérer très facilement de la membrane de la cuve", a déclaré Currie. "Cela met moins de force sur la pièce."

La force utilisée pour retirer le film d'une pièce peut altérer la pièce, ce qui peut entraîner un échec d'impression ultérieur. Disposer d'une technologie de membrane plus avancée comme celle de Nexa3D permet à l'utilisateur d'imprimer plus précisément avec une plus grande fiabilité car les pièces restent en place, ce qui permet une impression plus rapide, a-t-il expliqué.

"Si vous pouvez décoller avec moins de force, vous pouvez revenir à la couche suivante beaucoup plus rapidement", a déclaré Currie.

En raison du processus de construction inversé de Nexa3D, la quantité de résine dans un réservoir ne doit être aussi épaisse qu'une couche, ce qui pourrait être une aubaine pour conserver la résine liquide.

Le processus dans l'enveloppe de construction du XiP se déroule à température ambiante, où des couches de 50, 100 ou 200 µm sont déposées.

En plus de faire des itérations de prototypes pendant la phase de conception, dans un environnement industriel, le XiP est bon pour les boîtiers électroniques, les gabarits, les outils et les fixations. Les cabinets dentaires et les laboratoires peuvent l'aimer pour fabriquer des plateaux de blanchiment des dents, des attelles buccales et des modèles pour la planification d'implants chirurgicaux.

Le fabricant de matériaux céramiques et d'imprimantes 3D Tethon 3D, Omaha, Neb., a reçu un brevet en septembre 2021 pour sa gamme de résines Genesis. La ligne Genesis est utilisée comme matrice composite pour créer des produits céramiques via des méthodes de fabrication additive stéréolithographique, CLIP, LCD et DLP.

Le matériau à matrice liquide ne s'imprime pas en 3D tout seul, mais fournit un point de départ pour le développement de la recherche sur les résines photopolymères. Il a besoin d'une poudre solide ajoutée pour accumuler suffisamment d'épaisseur pour imprimer. La résine Genesis chargée durcit à 365–405 µm.

Les formulations incorporant de l'alumine, de la zircone, de la silice, du carbure de silicium et de l'hydroxyapatite avec la matrice Genesis sont utilisées dans les industries aérospatiale, automobile, de fonderie, dentaire, électronique et biomédicale.

La matrice Genesis peut être brûlée à partir d'une pièce finie dans un four avec peu ou pas de restes de liant. Les résines sont disponibles dans des formulations standard, flexibles et à charge élevée.

Tethon vend également une variété de poudres qui peuvent être mélangées avec ses résines - les quantités peuvent être ajustées pour faire varier la concentration. Une autre ligne de poudres de Tethon est destinée à être utilisée dans le jet de liant. Les spécialistes des matériaux de l'entreprise peuvent également formuler des matériaux personnalisés pour l'une ou l'autre application.

"Nous avons constaté que les gens aiment utiliser leurs poudres traditionnelles", a déclaré le PDG de Tethon, Trent Allen.

La Genesis et les autres résines Tethon 3D sont généralement utilisées dans les instituts de recherche et les laboratoires de R&D des entreprises, a-t-il déclaré.

En août, XJet Ltd., Rehovot, Israël, a mis à disposition de l'alumine pour ses imprimantes 3D céramiques. Elle propose également de la zircone pour l'impression céramique et de l'acier inoxydable pour ses imprimantes 3D métal.

L'entreprise a choisi l'alumine (oxyde d'aluminium) comme troisième matériau car il s'agit d'une céramique technique largement utilisée en raison de sa résistance mécanique extrêmement élevée, de sa dureté élevée et de ses très bonnes propriétés d'isolation électrique. L'alumine a également une résistance élevée à l'usure, une conductivité thermique élevée et une résistance aux températures élevées. L'alumine et la zircone sont des céramiques techniques avec une très bonne résistance aux produits chimiques, ce qui les rend non corrosives. Leur dureté rend ces matériaux difficiles à usiner avec les méthodes traditionnelles, surtout après avoir été frittés.

« Les pièces en alumine qui sont fabriquées sur les systèmes XJet avec la technologie XJet sont pratiquement identiques aux pièces en alumine qui auraient été créées avec le moulage par injection de céramique, par exemple, et peuvent donc être usinées de la même manière », a déclaré Dror Danai, directeur commercial chez XJet. "Cependant, il n'y a pas vraiment besoin d'usiner une telle pièce - la pièce peut être conçue selon les exigences finales. Avec les systèmes XJet, tout est une question de détails, ce qui signifie que vous pouvez fabriquer avec précision des géométries complexes, des détails fins, des structures intrinsèques, des surfaces lisses, des canaux intérieurs, etc. Ainsi, une fois que la pièce a été imprimée et frittée, elle est prête et il n'est tout simplement pas nécessaire de l'usiner davantage."

L'alumine est idéale pour les isolateurs électriques, les buses et les vannes, les outils d'usinage et de coupe, les turbines et plus encore. Il est utilisé dans les industries des dispositifs médicaux, de l'électronique grand public et de l'aérospatiale.

« Nous fabriquons certaines parties de notre propre système de fabrication additive, le XJet Carmel 1400C », a déclaré Danai. "L'une de ces pièces est un guide/boîtier pour le câblage électrique, et l'alumine fournit l'isolation électrique nécessaire à cette pièce."

Desktop Metal a créé un système d'impression 3D appelé Shop System, conçu pour les ateliers d'usinage effectuant une production à moyenne échelle.

"Lorsque nous parlons de production à mi-échelle, c'est vraiment la prochaine étape au-dessus du prototypage", a déclaré le CTO Myerberg. "Et cela signifie essentiellement faire une production de pièces de n'importe quelle taille ou échelle."

Le site Web de la société fait la promotion des « coûts matériels abordables » des poudres métalliques exclusives de Desktop Metal utilisées dans le Shop System et ses autres imprimantes à jet de liant.

Les processus à base de laser exigent que deux choses importantes soient vraies concernant la poudre qu'ils utilisent, a expliqué Myerberg.

Premièrement, la poudre doit être uniforme : le métal dans la poudre doit être sphérique et les sphères doivent être de taille identique. Cela est nécessaire pour que l'imprimante utilise correctement et systématiquement son énergie laser pour faire fondre la poudre à la même profondeur à chaque fois lors de la formation d'une pièce.

Cependant, la production de la poudre crée des sphères de différentes tailles de manière aléatoire. Sur un graphique, la cartographie des tailles créerait une courbe en cloche. La poudre nécessaire pour l'impression laser doit être d'une taille très spécifique, de sorte que les producteurs de poudre ne prennent qu'une très petite partie du lot de poudre et le reste du matériau est utilisé pour autre chose.

"Donc, cette coupe de choix, tout comme vous obtenez une coupe de boeuf de choix, coûte très cher", a déclaré Myerberg.

Deuxièmement, sa chimie. Lorsque le laser fait fondre la poudre pour fabriquer une pièce, elle doit être si propre qu'elle ne retient aucun produit chimique qui serait indésirable dans la pièce finale.

"Les particules doivent avoir la même taille dans une distribution étroite et elles doivent être parfaitement propres, ce qui les rend très coûteuses à produire", a déclaré Myerberg.

Le jet de liant est différent. Il prend des particules de n'importe quelle taille. En fait, les tailles variées des particules métalliques améliorent le processus car elles peuvent être plus serrées que des sphères de taille identique. De plus, peu importe le type de contaminants de surface qui pourraient se trouver sur la poudre, car la pièce imprimée va dans un four pour le frittage et la température élevée permet de les brûler complètement. Le processus de frittage élimine également toute porosité dans le métal.

Le CTO a également expliqué le processus de réglage fin des machines de Desktop Metal.

"Nous donnons à l'utilisateur tous les types de contrôles pour régler son processus... parce que la partie de chacun est différente", a-t-il déclaré.

Par exemple, l'utilisateur peut désactiver le saignement des pièces. Lorsque la gouttelette sphérique de liant pénètre dans la surface du lit de poudre, elle s'étale et peut saigner sur les bords. Pour les pièces avec des caractéristiques très fines, une arête peut déborder sur une arête voisine, ce qui est un résultat indésirable. Si cela se produit, l'utilisateur peut créer un peu plus d'espace autour des bords. Dans les sections épaisses, il peut diminuer la quantité de colle de liant qui est pulvérisée.

"Ce processus doit être géométriquement agnostique", a déclaré Myerberg. "N'importe qui devrait pouvoir mettre n'importe quelle image ou n'importe quelle partie dans l'imprimante et la sortir. Nous ne pouvons pas tester toutes les parties que quelqu'un veut, nous pouvons simplement donner des directives, des règles et des boutons à tourner. Alors nous disons, 'Hé, si vous voulez des fonctionnalités vraiment fines, nous pouvons vous donner un contrôle de fond perdu afin que ces fonctionnalités ne se mêlent pas les unes aux autres [mais soient] séparées.' Et le contrôle du saignement n'est qu'un des nombreux boutons que nous donnons aux utilisateurs pour qu'ils tournent."

Une station de dépoudrage séparée de Desktop Metal sert à extraire les pièces du réservoir de poudre et à garder le matériau métallique propre. Une fois les pièces projetées de liant excavées, elles peuvent être traitées comme n'importe quelle autre pièce métallique.

"Après avoir fritté la pièce, si vous la coupez et regardez la structure du grain, vous ne saurez même jamais qu'il s'agissait d'une pièce en poudre pour commencer", a déclaré Myerberg. "Cela ressemble à une pièce moulée. Les métaux, les structures granulaires et la chimie que nous produisons avec le jet de liant sont comme n'importe quel autre métal de cette chimie. Ils peuvent être traités thermiquement et leurs propriétés peuvent être modifiées, tout comme les pièces produites traditionnellement.

"Vous pouvez effectuer du polissage, de l'usinage, du sablage ou du grenaillage et de la finition sur des pièces projetées de liant. Ce sont toutes d'excellentes méthodes de post-traitement qui ont été développées au cours des cent dernières années et elles sont toutes applicables aux pièces projetées de liant. C'est la beauté de mettre un procédé de projection de liant dans un atelier d'usinage juste à côté des outils de coupe. Le jet de liant ne produit pas la précision ou la finition de surface que vous pouvez obtenir avec une machine CNC.

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