Impression 3D de métaux : One Click Metal change la donne pour les petits fabricants

Pour donner une forme au métal, il fallait autrefois allumer une énorme forge, surchauffer le minerai brut et envoyer des rivières chaudes d'alliage ressemblant à de la lave dans une gouttière pour les refroidir dans un moule en silicium. Aujourd'hui, les entreprises manufacturières peuvent obtenir des résultats similaires, sans désordre ni consommation d'énergie, grâce à la fusion laser sur lit de poudre (PBF pour « selective laser melting » ou SLM en anglais), un type de fabrication additive alimentée par de la poudre de métal purifiée.

Si les imprimantes 3D sont omniprésentes, de l'école à l'usine, l'impression 3D metallique n'est pas aussi répandue, en partie parce que l'impression de métal est extrêmement coûteuse. Bien que la technologie se soit améliorée régulièrement depuis plus d'une décennie, elle reste complexe à utiliser par rapport à l'impression 3D classique, et dépend de machines grandes et complexes.

L'entreprise allemande One Click Metal veut changer la donne. Elle a créé un système d'impression additive métallique appelé BOLDseries qui est abordable, portable et facile à utiliser, sans compromis sur la qualité des pièces. La mission est de donner à des milliers de petites et moyennes entreprises (PME), qui forment l'épine dorsale de l'économie européenne, un moyen de prototyper rapidement et à un prix abordable des produits et des composants de haute performance et de concevoir des pièces de série qui bénéficient des possibilités de l'impression 3D métallique.

À l'origine, One Click Metal était une unité de R&D du géant mondial du laser et des outils de fabrication Trumpf. Elle est devenue une société indépendante lorsque les dirigeants ont vu une opportunité de transformer l'expertise laser de la société mère en pétrole commercial disruptif.

Les matières premières de la plupart des imprimantes 3D proviennent de la même matière que les plastiques : des polymères moulables et abondants. Mais les nylons, les polycarbonates et les styrènes produisent un matériau poreux dont la base chimique sous-jacente est relativement faible. L'impression de métal est une autre paire de manches : les produits industriels lourds, tels que les pales de turbines et les moteurs de véhicules, ont besoin de matériaux plus résistants. Seul le métal a le potentiel de fournir une microstructure cristalline ferme capable de résister aux contraintes, à la chaleur et à la pression à l'échelle industrielle.

Les unités de la taille d'un distributeur automatique de One Click Metal utilisent une poudre métallique de qualité industrielle qui est conditionnée en toute sécurité dans des cartouches normalisées. Il suffit d'en brancher une, de charger ou de modifier un fichier de conception 3D créé à l'aide d'un outil tel qu'Autodesk Netfabb, puis de cliquer sur "imprimer".

Le laser à fibre de 200 W de l'unité d'impression 3D MPRINT permet une grande productivité et une grande précision dans les applications métalliques complexes. Combinant deux fonctions en une seule machine, la machine MPUREpro déballe un composant et élimine toute poudre non utilisée par contact direct avec la poudre, et son tamis à ultrasons intégré et autonome recycle la poudre traitée dans une cartouche d'alimentation, qui peut ensuite être réutilisée. Les unités MPRINT sont également suffisamment polyvalentes pour créer leurs propres pièces. Grâce à Autodesk Fusion 360, One Click Metal a pu concevoir et produire le composant pilote sophistiqué qui ouvre et ferme les cartouches de poudre.

« En raison de l'espace limité dans la zone d'assemblage et des spécifications du fabricant de moteurs, seule une clavette peut être utilisée pour la transmission par poudres », explique Gerrit Brueggemann, PDG de One Click Metal. « Soit la rainure de clavette doit être créée par poussage ou brochage, soit la clavette doit être fraisée dans le composant. La conception et le processus additifs sont ici la meilleure solution. »

Au lieu de fabriquer les conducteurs individuellement, One Click Metal a utilisé Netfabb pour empiler les pièces. Lors de la conception de la pièce, on a veillé à ce que les pièces puissent être empilées sans qu'il soit trop difficile de les soutenir. C'est pourquoi les pièces sont toujours empilées les unes sur les autres avec une rotation de 180°, ce qui permet d'obtenir des surfaces faciles à supporter. « Cela réduit vraiment le temps et le coût de production », explique Gerrit Brueggemann.

L'entrée de One Click Metal sur le marché de l'impression additive métallique arrive peut-être à point nommé. Les chiffres de Grandview Research ont évalué le marché mondial de l'impression 3D métallique à 3,52 milliards de dollars l'année dernière, avec des projections de croissance annuelle de 23,9 % attendues entre 2022 et 2030.

L'impression 3D de métaux a bénéficié de manière significative de la nécessité croissante du prototypage rapide et des pratiques de fabrication avancées, selon le rapport le plus récent de l'entreprise.

La NASA est également de la partie. L'agence spatiale américaine affirme qu'elle a l'intention d'imprimer en 3D plus de 80 % de ses futurs moteurs de fusée à l'aide de systèmes additifs métalliques. SpaceX, la société d'Elon Musk, a également annoncé des investissements dans l'impression 3D de métaux afin d'augmenter ses capacités de fabrication.

La construction pourrait être la prochaine frontière. En 2021, l'Imperial College London a installé et inauguré à Amsterdam le premier pont métallique imprimé en 3D au monde.

L'espace, les dépenses, la complexité et la sécurité ont été des obstacles majeurs que l'impression 3D de métaux a eu du mal à surmonter. One Click Metal les a surmontés grâce à des outils de collaboration basés sur le cloud qui ont réuni les experts en laser et les partenaires de la chaîne d'approvisionnement de la société mère pour résoudre les problèmes et fournir des données de conception complémentaires.

« Nous avons identifié trois obstacles majeurs à l'élargissement du marché de l'impression additive métallique », explique Gerrit Brueggemann. « Le premier était la poudre métallique elle-même. Le processus de manipulation est un problème majeur, en particulier pour les petites entreprises qui utilisent la machine juste à côté de leurs machines de fabrication conventionnelles. Pour des raisons de qualité, la poudre ne doit pas être mouillée ou contaminée. »

Le deuxième défi consistait à concevoir une machine d'impression 3D sur métal qui soit à la fois fonctionnelle et abordable. Le troisième défi consistait à fabriquer une machine qui ne nécessiterait pas de formation approfondie. « Nous savions qu'elle devait être facile à utiliser », explique Gerrit Brueggemann. « Beaucoup d'entreprises ne l'utiliseraient pas, dès le début, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 : elles commencent par les premières idées, comme les prototypes, qui débouchent sur des produits à long terme. Au niveau de l'industrie, les coûts d'investissement initiaux ont été une raison majeure pour ou contre le coût de l'impression 3D métal. »

À cette fin, l'une des principales innovations de One Click Metal a été la mise au point d'une cartouche normalisée pour les poudres métalliques. Cette cartouche élimine la nécessité de manipuler la poudre à l'air libre, garantit la qualité et permet de récupérer la poudre pour la réutiliser.

« L'ensemble du processus est similaire pour toutes les machines SLM sur le marché, mais nous savions qu'il ne suffisait pas d'avoir une bonne machine », explique Gerrit Brueggemann. « L'ensemble du processus est encore nouveau, c'est pourquoi nous l'avons rassemblé avec une vision de la méthode en un seul clic que le client souhaite. »

Les machines sont actuellement optimisées pour des productions de l'ordre de 150 cm x 150 cm, ce qui laisse beaucoup de place à l'innovation. One Click Metal a utilisé sa machine MPRINT pour créer un drone fonctionnel qui intègre plusieurs composants de vol dans une seule forme métallique très complexe.

« L'un de nos employés est pilote de drone et il a eu l'idée d'utiliser la machine pour créer un drone métallique optimisé », explique Gerrit Brueggemann. L'entreprise a contacté l'équipe de conception générative d'Autodesk pour obtenir des conseils sur la manière de procéder. « Nous avons examiné toutes les pièces individuelles d'un drone et essayé différentes conceptions susceptibles de les incorporer dans un cadre unique. Fusion360 s'est avéré très utile pour nous orienter vers des approches qui optimisaient et aidaient également à contrôler les coûts. »

Regardez une vidéo du drone de One Click Metal en action : VIDÉO.