Comment obtenir des pièces entièrement métalliques avec l'impression 3D FDM

Image 1: Modèle en acier à haute teneur en carbone et Filamet™ fritté. Source: The Virtual Foundry

The Virtual Foundry est une société américaine basée dans Wisconsin et formée par de grands experts du secteur du métal en fusion, qui travaillent depuis 2014 pour améliorer et développer sa gamme de filaments et d’accessoires pour l’impression 3D FDM des métaux. Au début, ils ont réussi à fabriquer des filaments avec des pourcentages élevés de laiton, de cuivre ou de bronze, mais leur structure après frittage ne présentait pas les propriétés des métaux. Grâce à une campagne sur Kickstarter, The Virtual Foundry a obtenu suffisamment de soutien pour faire évoluer ses filaments afin d'obtenir les mêmes propriétés que le métal pur et élargir sa gamme de matériaux (acier inoxydable 316L, acier haute carbone, aluminium 6061 et tungstène). Tous les types de Filamet™ sont constitués d’un métal de base et d’un polymère biodégradable et écologique (PLA). Ce matériau est exempt de particules métalliques exposées et de solvants volatils pouvant être libérés lors de l'impression. Ces matériaux sont extrêmement simples à imprimer car leurs propriétés d’impression sont similaires à celles du PLA, ce qui permet à tout utilisateur d’une imprimante 3D FDM de créer des pièces avec ces filaments, sans avoir à acheter d’imprimantes 3D industrielles en métal FDM coûteuses. L'un des principaux avantages des matériaux Filamet™ est qu'ils atteignent des propriétés similaires à celles possibles avec la technologie DMLS mais avec certaines limitations. En raison de la nécessité de fritter les pièces imprimées avec ce filament, où le PLA est retiré, les pièces ont une porosité, une perte de volume et une non-isotropie. Les imprimantes 3D DMLS parviennent à imprimer des pièces entièrement solides (similaires à la fonderie), avec beaucoup de détail, des hauteurs de couche de 0.02 mm et sans nécessiter de post-traitement, le seul inconvénient par rapport à l'impression 3D FDM de Filamet™ est le coût de: matériel, fabrication et les imprimantes elles-mêmes.

Image 2: Cônes en Filamet™ bronze sans fritté et fritté. Source: The Virtual Foundry

Pour que la pièce imprimée soit entièrement métallique, elle doit être frittée au four. Le frittage est un processus de fabrication de pièces solides à base d'un objet formé de poudre métallique compactée, auquel un traitement thermique est appliqué à une température inférieure à celle de la fusion, mais suffisamment élevée pour lier les particules métalliques de manière résistante, résultant en un bloc totalement solide. Après avoir imprimé avec Filamet™, les pièces doivent être frittées pour éliminer le PLA faisant partie du filament. Le frittage peut être effectué dans un four avec un environnement ouvert ou un environnement sous vide ou inerte.

Fritté en environnement ouvert

Pour le frittage en milieu ouvert,il faut du charbon de coquille de noix de coco pour le frittage, un récipient réfractaire (creuset) et de la poudre réfractaire Al2O3. Le processus commence par le ponçage des bords bruts de la pièce pour obtenir les meilleurs résultats. 

Pour commencer, le creuset doit être rempli de poudre réfractaire, en laissant un espace libre sur la surface du creuset. La pièce doit ensuite être immergée dans la poudre réfractaire, en s'assurant de laisser un espace d'au moins 15 mm entre la surface de la pièce et les parois et les parties supérieure et inférieure du creuset. La poudre réfractaire ne doit pas être compactée.

À ce stade, selon le matériau à fritter, l'espace libre à la surface du creuset doit être rempli de charbon fritté ou bien le creuset doit être introduit dans le four.

Image 3: Processus de frittage. Source: The Virtual Foundry

Fritté dans un environnement sous vide ou inerte

Pour le frittage dans un environnement sous vide ou inerte, un creuset (récipient de cuisson) et une poudre réfractaire sont nécessaires. La pièce est préparée pour le frittage en la plaçant à l'intérieur du creuset et en la recouvrant de poussière réfractaire, en tenant compte du fait qu'il doit y avoir au moins 10 mm de poussière entre les surfaces de la pièce et le creuset. Le creuset est ensuite placé dans le four.

The Virtual Foundry fournit le tableau suivant des températures recommandées, soit pour le frittage dans un environnement ouvert, soit dans un environnement sous vide ou inerte :

Tableau 1 : Matériaux et températures maximales de frittage.

L'utilisateur doit garder à l'esprit que ces temps et températures sont donnés à titre indicatif et peuvent varier en fonction de nombreux aspects, comme le modèle de four utilisé, par exemple. Les filaments de la gamme Filamet qui ne figurent pas dans le tableau sont considérés comme expérimentaux, de sorte que le fabricant ne dispose pas de données pour le frittage.

Si vous ne disposez pas d'un four répondant aux exigences de frittage de pièces imprimées en 3D avec les filaments Filamet™, vous pouvez nous contacter et nous vous informerons sur la faisabilité et les conditions de frittage dans nos installations.

Après le frittage (dans un environnement ouvert ou sous vide ou dans un environnement inerte) de tout filament de la gamme Filamet™, toutes les pièces métalliques sont obtenues, avec les propriétés réelles du métal comme conductivité électrique, post-traitées par sablage et polissage ou même collage par soudage; mais avec une certaine porosité et une réduction de volume due à la perte de PLA. L'utilisateur doit également tenir compte du fait que les propriétés mécaniques du produit final sont directement liées au temps pendant lequel la pièce imprimée est maintenue à la température de frittage. Si le produit final est pulvérulent et fragile, le temps de frittage n'a pas été suffisant. Si l’impression présente une surface semblable à celle d’une peau ridée, elle est trop frittée.

Post-traitement: ponçage et polissage

Une fois frittée, la pièce peut être poncée et polie de la même manière qu'un métal, mais en suivant une série d'indications. Avec du papier abrasif à l'eau, il est possible d'éliminer les lignes d'impression et autres petites déformations, car les particules détachées lors du ponçage adhèrent aux interstices en raison de la chaleur de friction. En cas d'utilisation de papier abrasif ou de disque radial 3M, il est recommandé de commencer le ponçage avec un grain de 120 (80 pour le disque radial 3M), en veillant à ne pas déformer les zones les plus délicates, telles que les angles. Une fois que toute la surface a été poncée, vous devez utiliser un papier abrasif du grain suivant, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'il augmente de 6 ou 7 (4 fois pour le disque radial 3M). Avant de passer au polissage final, il est recommandé d'utiliser un papier abrasif de grain 3000 avec lequel un certain brillant est obtenu. Enfin et une fois la pièce nettoyée avec un chiffon en flanelle, la pièce peut être polie. TVF recommande l'utilisation d'un outil rotatif avec un disque de polissage et de la cire à polir pour rendre le polissage plus rapide et plus efficace. Appliquez simplement un peu de cire de polissage sur le disque de polissage et polissez avec des mouvements constants tout au long de la pièce afin de ne pas générer un excès de chaleur susceptible de déformer la pièce. En plus des pièces de ponçage et de polissage fabriquées avec Filamet™, elles peuvent être sculptées, fondues, soudées et lissées par application de chaleur.

Image 4: Seau en cuivre poli. Source: The Virtual Foundry

Vu comment obtenir des pièces tout en métal avec l’impression FDM 3D, nous pouvons conclure en affirmant que cette technologie d’impression, avec l’aide de filaments métalliques The Virtual Foundry, a réussi à atteindre les quelques secteurs qu’elle avait besoin de conquérir, en particulier certains industriel