Lars Vanmunster, étudiant à la KU Leuven, a développé un procédé pour affiner la finition de surface de pièces métalliques imprimées en 3D par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Cette technique repose sur l’application d’un second laser pulsé pour réduire la rugosité de 80 %. Le projet a été tellement inspiré qu’il a donné lieu à un prix décerné aux travaux de M. Vanmunster.
En raison de l’éclaboussure de particules de poudre pendant le processus d’impression, de petites bosses se forment sur les pièces qui donnent un fini rugueux. À son tour, la pièce doit être retirée de l’imprimante et finie en utilisant des techniques telles que le meulage et le polissage. Si dans certains cas, comme les implants orthopédiques, une surface rugueuse peut être bénéfique, ce n’est pas le cas pour la majorité des pièces qui doivent être traitées ultérieurement à l’impression pour répondre aux spécifications finales. Ce post-traitement est long et coûteux et, dans certains cas, peut être le facteur qui fait ou défait la décision d’utiliser l’impression 3D pour un composant donné.
Diverses méthodes ont été développées pour traiter la finition de surface des pièces métalliques pendant le processus de construction. Elles comprennent l’usinage mécanique, l’ablation et la gravure au laser, l’usinage électrochimique, etc. Parmi les problèmes qui découlent de ces méthodes figure la formation de copeaux métalliques qui peuvent interférer avec le processus de construction.
Dans ses recherches, Vanmunster et ses collègues sont tombés sur une idée qui avait été typiquement un problème pour les recherches précédentes du LPBF. En expérimentant avec des lasers pulsés pour imprimer des pièces en 3D, ils se sont heurtés au malheureux effet secondaire des ondes de choc qui perturbent la construction. Cependant, dans d’autres domaines, tels que le martelage par choc laser et la formation de feuilles, les ondes de choc des lasers peuvent en fait avoir des applications pratiques.
Une visualisation du processus. Image avec l’aimable autorisation de la KU Leuven.
Vanmunster, alors étudiant en master au département d’ingénierie mécanique, de processus et de systèmes de fabrication de la KU Leuven, a joint ses efforts à ceux de ses collègues et a envisagé d’utiliser les ondes de choc d’un laser pulsé comme moyen d’améliorer la qualité de surface. En prenant un ProX DMP 320A de 3D Systems avec un laser de 500W et en utilisant un second laser à fibre d’Ytterbium d’une nanoseconde, ils ont développé une méthode à double laser pour effectuer automatiquement la finition de surface pendant le processus d’impression. Alors que la première source d’énergie est utilisée pour imprimer la pièce, le second laser pulsé élimine la poudre résiduelle en envoyant de minuscules ondes de choc sur la zone. La poudre non frittée est ainsi soufflée avant que le laser primaire ne refasse les surfaces extérieures.
Une partie imprimée et une coupe transversale AVANT (ci-dessus) et APRÈS (ci-dessous) le processus de refonte. La surface est beaucoup plus lisse, et l’effet de marche est supprimé. Image reproduite avec l’aimable autorisation de la KU Leuven.
Ce procédé peut réduire la rugosité de la surface jusqu’à 80 %, ce qui permet de réduire la main-d’œuvre de post-traitement et le coût global des pièces. Pour sa thèse, M. Vanmunster a remporté le “prix de la thèse de master IE NET” de l’association flamande des ingénieurs.
Lorsqu’on lui a demandé d’où venait l’inspiration pour ce processus, M. Vanmunster a répondu à 3DPrint.com : “Le système à double laser a été développé il y a quelques années au sein du groupe de recherche Additive Manufacturing de la KU Leuven. L’équipe AM a découvert le phénomène d’élimination sélective de la poudre par les ondes de choc du laser pulsé en testant et en expérimentant intensivement cette nouvelle installation à double laser. Mes recherches se sont concentrées sur l’utilisation de ce dispositif pour réduire la rugosité de surface, dans le cadre de la recherche doctorale de Jitka Metelkova, qui utilise la machine pour la fabrication d’additifs hybrides”.
L’intégration de la technologie dans une imprimante 3D en métal existante a nécessité une collaboration avec le fabricant lui-même, mais pourrait permettre à terme de la mettre sur le marché, selon M. Vanmunster.
“Dès le début, nous avons mis en œuvre le double réglage laser dans une machine LPBF de 3DSystems-LayerWise disponible dans le commerce”, a déclaré M. Vanmunster. “Nous avons collaboré avec leurs ingénieurs et avons mis en œuvre conjointement toutes les modifications matérielles et logicielles nécessaires. Cela a été fait en modifiant une machine DMP ProX320 de 3DSystems dans le cadre d’un grand projet d’infrastructure financé par le gouvernement flamand. L’application industrielle de nos recherches est donc assez simple. C’est dans notre ADN depuis la création de notre équipe AM à la KU Leuven en 1990”.
En plus de pouvoir effectuer un traitement de lissage pendant la construction elle-même, l’utilisation des ondes de choc présente d’autres avantages par rapport aux techniques de post-traitement. Par exemple, l’usinage n’est pas toujours adapté au lissage de pièces imprimées en 3D, plus complexes sur le plan géométrique. Les traitements de surface au laser qui ont lieu une fois l’impression terminée nécessitent un certain nombre d’étapes longues et laborieuses : retirer la pièce de la machine, la serrer, effectuer le lissage au laser et la desserrer.
“Tout cela entraîne un surcoût important. L’avantage de la double installation laser est qu’elle peut effectuer le traitement in situ, ce qui signifie qu’aucun travail manuel et aucun repositionnement n’est nécessaire”, a déclaré M. Vanmunster.
Ensuite, Vanmunster espère appliquer sa technique à des objets plus complexes du monde réel afin de pouvoir démontrer son utilité pour les produits industriels. Pour ce faire, il a rejoint l’équipe AM de l’université en tant que chercheur en doctorat sous la direction du professeur Van Hooreweder qui dirige l’équipe AM.
“Nous sommes sur le point de lancer un nouveau projet avec de nombreux partenaires industriels, dans lequel nous allons explorer plus avant les possibilités de notre nouveau système à double laser”, a déclaré M. Vanmunster.
La rugosité de l’impression 3D post-métallique réduite de 80 % grâce à la technique du double laser est apparue pour la première fois sur 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing.
