La projection de liant est une technique de fabrication additive où une tête d’impression dépose sélectivement un agent liant liquide sur une fine couche de particules de poudre – métal, sable, céramique ou composite – afin de créer des composants uniques et de grande valeur. Une carte issue d’un fichier de conception numérique est utilisée pour répéter le processus de superposition jusqu’à obtenir le résultat souhaité.

Transformer les poudres industrielles en outils et pièces

La projection de liant fait partie des procédés de fabrication additive. Dans la projection de liant, les zones du lit de poudre sont recouvertes sélectivement d’un liant, qui lie les zones les unes après les autres pour former des pièces solides une à une. Les métaux, le sable et les céramiques sous forme granulaire sont couramment utilisés dans la projection de liant.

Les applications de la projection de liant comprennent la fabrication de prototypes en couleur (comme les figurines), la fabrication de noyaux et de moules en sable de grande taille, ainsi que la production de pièces métalliques imprimées en 3D à faible coût.

Pour tirer pleinement parti des avantages de la projection de liant, il est crucial de comprendre les mécanismes de base du processus et comment ils se rapportent à ses principaux avantages et limitations.

Projection de liant : Comment ça marche ?

Le processus de projection de liant implique les étapes suivantes :

  1. La plateforme de construction est recouverte de poudre à l’aide d’une lame de recouvrement.
  2. Ensuite, un chariot équipé de buses à jet d’encre (comme celles utilisées dans les imprimantes 2D de bureau) passe au-dessus du lit, déposant sélectivement des gouttes de colle (agent liant) pour coller les particules de poudre ensemble. La projection de liant en couleur complète également cette étape en distribuant de l’encre colorée. Chaque goutte mesure environ 80 µm de diamètre, permettant une bonne résolution.
  3. Pour recouvrir la surface, la plateforme de construction descend à la fin de chaque couche. Le processus est répété jusqu’à ce que la pièce entière soit complète.
  4. La pièce est encapsulée et durcie dans la poudre après l’impression. De l’air sous pression est ensuite utilisé pour enlever l’excès de poudre non liée à la pièce et nettoyer la pièce.

La plupart des matériaux nécessitent un post-traitement. Les pièces métalliques en projection de liant, par exemple, doivent être frittées (ou autrement traitées thermiquement) ou infiltrées avec un métal à basse température de fusion (généralement du bronze). Pour améliorer la vivacité des couleurs, les prototypes sont également remplis d’acrylique et recouverts. En général, les noyaux et les moules en sable peuvent être utilisés immédiatement après l’impression 3D.

En conséquence, les pièces sortent de l’imprimante dans un état “vert”. En tant que pièces vertes, les pièces de projection de liant souffrent de faibles propriétés mécaniques (très cassantes) et ont une grande porosité.

Caractéristiques de la projection de liant

Paramètres pour l’imprimante

La plupart des paramètres du processus de projection de liant sont définis par le fabricant de la machine.

En général, la hauteur de couche varie selon le matériau : les modèles en couleur complète ont généralement une hauteur de couche de 100 microns, les pièces métalliques ont généralement une hauteur de couche de 50 microns, et les matériaux pour moules de moulage en sable ont généralement une hauteur de couche de 200 à 400 microns.

La liaison se fait à température ambiante, ce qui rend la projection de liant unique parmi les autres technologies d’impression 3D. La projection de liant n’est pas sujette aux déformations thermiques (comme le gauchissement, DMLS/SLM, ou le courbement) résultant des effets thermiques.

Par conséquent, les machines de projection de liant ont le plus grand volume de construction de toutes les technologies d’impression 3D (jusqu’à 2200 x 1200 x 600 mm). Les moules pour moulage en sable sont généralement produits par ces grandes machines. Un système de projection de liant métallique a un volume de construction plus grand qu’un système DMLS/SLM (jusqu’à 800 x 500 x 400 mm), permettant la fabrication parallèle de plusieurs pièces à la fois. En raison de l’étape de post-traitement impliquée, la taille maximale des pièces est limitée à 50 mm.

De plus, la projection de liant ne nécessite pas de structures de support : la poudre entourant la pièce fournit tout le soutien nécessaire (comme SLS). La projection de liant diffère des autres processus d’impression 3D métallique en ce sens qu’elle ne nécessite pas de structures de support extensives, permettant la création de structures métalliques en forme libre avec des restrictions géométriques minimales. Comme nous le verrons dans une section ultérieure, la projection de liant métallique est sujette à des inexactitudes géométriques en raison des étapes de post-traitement.

Parce que les pièces en projection de liant n’ont pas besoin d’être attachées à la plateforme de construction, l’ensemble du volume de construction peut être utilisé. Par conséquent, la projection de liant est adaptée pour les séries petites à moyennes. L’ensemble du volume de construction de la machine (remplissage de bacs) doit être efficacement utilisé pour tirer parti de toutes les capacités de la projection de liant.

Projection de liant en couleur complète

Comme la jet de matériau, la projection de liant peut produire des pièces imprimées en 3D en couleur complète. En raison de son faible coût, elle est souvent utilisée pour imprimer des figurines et des cartes topographiques.

Les modèles sont imprimés en couleur complète en utilisant de la poudre de grès ou de la poudre de PMMA. D’abord, la tête d’impression principale projette l’agent liant, puis une tête d’impression secondaire projette une encre colorée. De manière similaire à une imprimante à jet d’encre 2D, différentes couleurs d’encre peuvent être combinées pour produire une large gamme de couleurs.

Pour renforcer la solidité des pièces et la vivacité des couleurs, les pièces sont recouvertes de cyanoacrylate (super colle) ou d’un autre infiltrant après l’impression. De plus, une couche secondaire d’époxy peut être ajoutée pour améliorer à la fois la résistance et l’apparence. Même avec ces étapes supplémentaires, les pièces en couleur complète de projection de liant restent très cassantes et ne doivent pas être utilisées pour des applications fonctionnelles.

Un modèle CAD contenant des informations de couleur est nécessaire pour produire des impressions en couleur complète. Vous pouvez appliquer de la couleur aux modèles CAD de deux manières : sur une base par face ou comme une carte de texture. Ajouter de la couleur à chaque face est un processus rapide et facile, mais l’utilisation d’une carte de texture offre un meilleur contrôle et plus de détails. Pour des instructions spécifiques, consultez votre logiciel CAD natif.

Le processus de projection de liant métallique

Comparé à d’autres processus d’impression 3D métallique (DMLS/SLM), la projection de liant est jusqu’à 10 fois plus économique. La taille de construction de la projection de liant est considérable, et les pièces sont produites sans avoir besoin de structures de support, permettant la création de géométries complexes. La projection de liant métallique est donc une technologie très attractive pour la production de métal à faible à moyen coût.

Les pièces en projection de liant métallique ne sont pas adaptées aux applications haut de gamme en raison de leurs propriétés mécaniques. Néanmoins, les propriétés matérielles des pièces produites sont les mêmes que celles des pièces métalliques produites par moulage par injection métallique, qui est l’une des méthodes de fabrication les plus largement utilisées pour la production en masse de composants métalliques.

Le processus d’infiltration et de frittage

Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques, les pièces en projection de liant métallique nécessitent un processus secondaire après l’impression, comme l’infiltration ou le frittage, car les pièces imprimées sont principalement constituées de particules métalliques liées par un adhésif polymère.

Après l’impression, la pièce est placée dans un four, où le liant est brûlé, laissant des vides. Environ 60% de la pièce est poreuse à ce stade. En utilisant l’action capillaire, le bronze est ensuite injecté dans les vides, ce qui donne des pièces avec une faible porosité et une bonne résistance.

Lorsque l’impression est terminée, les pièces sont placées dans un four haute température, où le liant est brûlé et les particules métalliques sont frittées ensemble (liées), ce qui donne des pièces avec une très faible porosité.

Caractéristiques de la projection de liant métallique

La précision et la tolérance du modèle peuvent varier considérablement selon le modèle et sont difficiles à prédire car elles dépendent de la géométrie. La rétrécissement des pièces entre 25 et 75 mm est estimée entre 0,8 et 2 %, tandis que la rétrécissement moyenne des pièces plus grandes est entre 3 % et 4 %. Pendant le frittage, les pièces se rétrécissent d’environ 20 %. Le logiciel de projection de liant compense le rétrécissement pendant la phase de conception, mais un rétrécissement non uniforme peut devoir être pris en compte lorsque l’opérateur de la machine utilise la machine.

Des inexactitudes peuvent également survenir lors de l’étape de post-traitement. La température de la pièce est augmentée pendant le frittage, ce qui rend la pièce plus molle. Une zone non supportée peut se déformer sous son propre poids lorsqu’elle est dans cet état mou. De plus, à mesure que la pièce se rétrécit pendant le frittage, il y a friction entre la plaque du four et la surface inférieure de la pièce, provoquant un gauchissement. Pour assurer des résultats optimaux ici, la communication avec l’opérateur de la machine de projection de liant est essentielle.

Les pièces métalliques en projection de liant, frittées ou infiltrées, auront une porosité interne (le frittage produit des pièces à 97 % de densité, tandis que l’infiltration est d’environ 90 %). Cela affecte les propriétés mécaniques des pièces de projection de liant métallique, car les vides peuvent entraîner des fissures. La fatigue et la résistance à la fracture, ainsi que l’élongation à la rupture, sont les propriétés matérielles les plus affectées par la porosité interne. Des processus métallurgiques avancés (comme le pressage isostatique à chaud ou HIP) peuvent être appliqués pour produire des pièces avec presque aucune porosité interne. Pour des applications où la performance mécanique est cruciale, le DMLS ou le SLM sont les solutions recommandées.

La rugosité de surface des pièces métalliques en projection de liant est un avantage par rapport au DMLS/SLM. Les pièces métalliques en projection de liant ont généralement une rugosité de surface de Ra 6 µm après post-traitement, qui peut être réduite à Ra 3 µm si une étape de sablage est utilisée. Comparativement, la rugosité de surface des pièces DMLS/SLM est d’environ Ra 12-16 µm. Cela est particulièrement important pour les pièces avec des géométries internes, telles que les canaux internes, où le post-traitement est difficile.

Projection de liant : Avantages et Limitations

Les principaux avantages et inconvénients de la technologie sont résumés ci-dessous :

  • La projection de liant produit des pièces métalliques et des prototypes en couleur complète à une fraction du coût par rapport au DMLS/SLM et au jet de matériau respectivement.
  • La projection de liant peut fabriquer des pièces très grandes et des géométries métalliques complexes, car elle n’est pas limitée par les effets thermiques (par exemple, le gauchissement).
  • Les capacités de fabrication de la projection de liant sont excellentes pour la production en petites à moyennes séries.
  • Les pièces métalliques en projection de liant ont des propriétés mécaniques inférieures à celles des pièces DMLS/SLM, en raison de leur porosité plus élevée.
  • Seuls des détails grossiers peuvent être imprimés avec la projection de liant, car les pièces sont très cassantes dans leur état vert et peuvent se fracturer pendant le post-traitement.
  • Par rapport aux autres processus d’impression 3D, la projection de liant offre une sélection de matériaux limitée.

Directives

  • Utilisez la projection de liant métallique pour imprimer des pièces métalliques à faible coût, pour des applications qui ne nécessitent pas de performances très élevées.
  • La projection de liant offre plus de liberté de conception que le DMLS/SLM pour les pièces métalliques imprimées en 3D, car les effets thermiques ne posent pas de problème pendant le processus de fabrication.
  • Elle est uniquement adaptée aux fins visuelles, car la projection de liant est très cassante.
  • La projection de liant peut être utilisée pour produire des noyaux et des moules de moulage en sable très grands.