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TIM

Impression 3D Métal Binder Jetting(MBJ) : quel intérêt pour l’industrie de la mécanique?

Benoit VERQUIN : benoit.verquin@cetim.fr

Paul CALVES : paul.calves@cetim.fr

Maxime FAYOLLE : maxime.fayolle@cetim.fr

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TIM

Fabrication additive métallique : pour qui?

CONSTAT PRINIPAL

La technologie FUSION LASER (LBM), la plus

répandue/connue, est peu adaptée à la réalité

industrielle de nombreuses entreprises :

- Trop cher (et peu productif)

- Trop de surcoûts liés aux supports de fabrication

- Difficulté à mettre en œuvre les aciers de

mécaniciens (alliés)

2013 – 2015 : Réalisation par le CETIM d’études pour ses commissions professionnelles (Forge, Quincaillerie, Mécanique Industrielle, Pompe, Robinetterie… )

Objectifs = étudier les potentialités de la fabrication additive pour la production de composants

mécaniques pour différents secteurs d’activités industriel (études technico-économiques)

Recherche de solutions

additives alternatives pour :

- rendre la fabrication additive

« économiquement accessible »

- Faciliter l’émergence d’aciers « mécanicien »

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FDM

SLA

MBJ

Material

jetting

Material droplet

filled with nano powder

Fabrication additive indirecte(sans fusion)

Quel procédé FA métal?

Fabrication additive directe (avec fusion)

Projection/Dépôt(DED)

Lit de poudre(LBM/EBM)

Pour beaucoup d’applications • Trop cher (et peu productif)

• Trop de surcoûts liés aux

supports de fabrication

Domaine d’application : ébauches,

formes simples et applications

outillage. Non adapté aux petites

pièces complexes

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TIM

Quel procédé FA métal?

Fabrication additive directe (avec fusion)

Fabrication indirecte(Sans Fusion)

Metal Binder Jetting(MBJ)

Projection/Dépôt(DED)

Lit de poudre(LBM/EBM)

Pour beaucoup d’applications • Trop cher (et peu productif)

• Trop de surcoûts liés aux

supports de fabrication

Domaine d’application : ébauches,

formes simples et applications

outillage. Non adapté aux petites

pièces complexes

Nouvelle piste explorée par le CETIM pour la

petite pièce complexe en petite et moyenne série

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TIM

Principe du Metal Binder Jetting (MBJ)

Etape 1: Mise en forme par Binder Jetting Etape 2 : Consolidation par Frittage

Superposition de couches de poudres, agglomérées par un liant polymère. Le liant est déposé sélectivement par une tête d’impression

Après avoir brulé le liant (déliantage), le frittage de la pièce « verte » permet sa consolidation,

venant ainsi conférer à la pièce sa densité

finale et ses caractéristiques mécaniques.

Pièce « verte »Pièce « fri ttée »

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TIM

Le Metal Binder Jetting (MBJ) en Vidéo

Pas de supports de fabrication

Productivité

Matériaux : Ouverture aux matériaux peu ou pas soudables : aciers a lliés,

aciers outils,…

https://www.youtube.com/watch?v=h0YVh_TPBRY

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TIM

Cycle de fabrication Analogie avec le MIM (Metal Injection Molding)

MIM par outillage,

sur presse à injecterMatière 1ière : Mélange poudre + liant = feedstock

Matière 1ière : Poudre et

liant séparés

Pièce métallique dense et consolidée

Après frittage : Densité 97 à 99,5%

Après frittage + HIP : 98 à 100%

Retrait environ 20%

Mise en Forme Déliantage Frittage

Pièce verte

70%v Métal

30%v Liant

70%v Métal

30%v Porosité

Pièce brune

MBJPar superposition de couches de poudre

agglomérées par liant

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Matériaux

Maitrisés et disponibles :Acier Inoxydable 316LAcier Inoxydables 17-4PH

Maitrisés et disponibles :Acier Inoxydable 316LAcier Inoxydables 17-4PH

316L 17-4PH

Matériau maitrisé et disponible dans les semaines à venir:Titane TiAl6V4

Matériau maitrisé et disponible dans les semaines à venir:Titane TiAl6V4

German, Progress in Titanium

metal powder injection molding,

Materials, 2013, Vol 6

Digital Metal Metal Injection Molding

TA6V :

Métallurgie

similaire au

MIM

En cours de développement : Inconel 625 et CuivreEn cours de développement : Inconel 625 et Cuivre

Développement Cetim sur 2018 : Acier outil (H13 et/ou D2)Développement Cetim sur 2018 : Acier outil (H13 et/ou D2) R&D Cetim : WC-CoR&D Cetim : WC-Co

• A ce jour : offre matériau limitée.• A termes : tous les matériaux MIM

2018 : Mise en place au CETIM d’une activité orientée sur le développement matériau

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TIM

Propriétés mécaniques

Propriétés globalement similaires au MIM

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TIM

Rugosité

3µm < Ra < 12µm30µm< Rt < 100µm

Ra > 10µmRt > 100µmLié au matériau,aux paramètres defabrication et à

l’orientation de lasurface

Fusi

on

La

ser

Me

tal b

ind

er

jett

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Etats de surfaces significativement meilleurs

Bonne propreté de surface dans des zones non accessibles au polissage (canaux ou formes internes)

Etats de surfaces significativement meilleurs

Bonne propreté de surface dans des zones non accessibles au polissage (canaux ou formes internes)

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11Ne pas diffuser sans autorisation préalable du CETIM

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Fusion LaserMetal binder jettingEx

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TIM

Brut de frittage Frittage + HIP

Porosité

Environ 2-3% de

porosité résiduelle

(similaire au MIM

Matériau dense

(similaire au MIM)

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TIM

Besoin de supports de fabrication (= reprises d’usinage)

surfaces en

porte à faux :

Etats de surfaces

dégradés

quelque soit

l ’angle de la

surface :

Meilleur état de surface

Fusion Laser Metal Binder Jetting

Atouts du Metal Binder Jetting

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filets

Fusion Laser

Rugosité

des filets

importante

Filets

fonctionnel

Trous à reprendre

A reprendre Fonctionnel

Trous fonctionnels

Metal Binder Jetting

Atouts du Metal Binder Jetting

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TIM

Bilan technico-économique pour 1000 pièces

Temps de production : 1130hPrix de revient : env. 70 à 80€/pcs(brut de fusion avec supports = 55€/pcs)

Temps de production : 264h Prix de revient: 15 à 25 €/pcs (estimé)

(Pièce fine, sans supports)

FUSION LASER DIGITAL METAL

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TIM Principale limites actuelles : la taille des composants

Lever des verrous du Binder Jetting

Roue de pompe 750g(Procédé

ExOne)

Possible mais demande une étude de faisabilité selon le cas

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TIM

Pièces avec éléments mobiles

L’absence de support à l’impression donne au MBJ l’opportunité de construire des pièces constituées d’éléments mobiles

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TIM

Autres exemples « design »

Comme d’autres procédés additifs, le MBJ permet la réalisation : - de s tructures lattices (sans

contra intes de supportage)

- de toutes sortes de texturations de

surfaces 3D

Permet d’ajouter sans surcoût

s ignificatif une valeur a joutée

(personnalisation, fonctionnalisation

de surface, fonction esthétique…)

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TIM

Surfaces

externes

Tribo

“standard”

Tribo

“évoluée”

Electrochimique

ElectrolytiqueSablage Hybrides

Temps 15 - 30 h 2 - 4 h <30 min Qq minutes 2 - 3 h

Ra 2 µm 0.5 µm 1 µm 3 µm <2 µm

Rz 20 µm 5 µm 10 µm 25 µm 20 µm

Avantages

Coût (installation

Mise en œuvre).

Autonomie.

Temps cycle.

Rugosité obtenue.

Automatisation.

Pas/peu d’impact

géométrique.

Accessibilité

Brillance.

Coût installation.

Préparation de la

surface (médias).

Automatisation.

Peu d’impact

géométrique.

Accessibilité

Limitations

Impact faible sur

la rugosité.

Impact sur la

géométrie.

Temps cycle.

Impact sur la

géométrie.

Accessibilité

limitée

Fournisseurs limités .

Efficacité limitée si Ra >>

ondulation.

Automatisation.

Peu d’impact sur la

rugosité.

Peu dégrader les

surfaces.

Coût d’installation.

Fournisseurs limités

Efficacité limitée si

Ra hétérogène.

Ondulation.

Finitions de surfaces

Rainitial = 5 µm

Rzinitial = 40 µm

Ø2mm, 35mm avec

courbes

Canaux internes La pertinence d’un procédé de

finition dépend toujours :

- de la morphologie de la pièce

- de ses exigences géométriques (conservation arêtes vives)

- du niveau de détail des

surfaces à polir.

Finitions de surfaces : exemples

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TIM

Procédé Metal Binder Jetting (Digital Metal)

Fusion Laser (exemple EOS M290)

Volume Utile : 250x250x250Vitesse : env. 15 cm3/h (1 Laser)

Poss ibilité de multiplier

les sources laser (2 ou 4)

Mais augmentation

importante du coût

Potentiel de productivité très important • Multiplication des têtes

d’impression (coût faible /

Laser) couverture du lit de

poudre en 1 passe

• Augmentation du volume utile

(trava il à l ’air ambiant, donc

pas de contraintes d’inertage)

Productivité : ordre de grandeur

Volume Utile : 150x165x55Vitesse : env. 60 cm3/h (2 tête d’impression avec 150 buses/têtes)

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TIM

Compétitivité du process

• Souvent compétitif sur de

petits composants.

• Le potentiel de

productivité permet

d’envisager d’être

compétitif sur des plus

grandes dimensions

Perspectives de productivité pour 2020 : à minima x6 ?

surface utile Dépose du liant

360cm²(180*200mm)

Actuel : 2 têtes x 300 buses

Plusieurs passage pour

couvrir 1couche

1000cm²(ex : 320*320mm)

Attendu : Multiplication des têtes

pour couvrir le lit de poudre en 1

passage

x 3

actuelle

Attendu x 2

Exemple d’une

pièce d’environ

60g• Domaine horloger

• Buses de nettoyage pour le domaine du dentaire). Qualification selon norme ISO 10993 (cytotoxicité, contact de 24h avec du sang)

Quelques produits déjà fabriqués en série

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TIM

Positionnement technologique

AVANTAGES INCONVENIENTS

Supports de fabrication limités Productivité

Vitesses de fabrication élevées

Pièces « superposables »

Taille de pièce limitée (idem MIM) 0 à 400g (+ ou – selon morphologie)

Env. 100mm dans la plus grande direction

Maitrise du retrait lors du frittage

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TIM

9 industriels engagés sur 18 mois

Plateforme M-I3DCoût sur 3 ans = 1500 k€Sub région AuRA : 500k€

Constat : FA trop chère,

manque de productivité

Potentiel du « Binder Jetting »

Plateforme M-I3D (Impression 3D Métal)

• Aéronautique, Médical … Luxe, Industrie• Des petites entreprises aux grands

groupes, dont les 2 plus gros industriels

français de pièces fri ttées

Objectifs : Qualification du procédé + Montée en compétence de partenaires industriels

CETIM

Investi-

gations

techniques

Bus iness

plan

Enjeux : Passer la FA métal au stade de la production industrielle, Elargir les champs industriels de la FA métal

+ des développements individuels pour différents secteurs d’activités

Depuis Septembre 2018 (démarrage)

Plus de 2000h d’impression

Plus de 100 boxs et 10000 piècesfabriquées

Des développements propres à chaque

partenaire + un programme R&D partagé

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TIM

Plateformes partagées groupe CETIMpour faire le bon choix technologique

IDF: Plateforme AFH à Saclay AuRA: Plateforme FA à Cluses

Aéronautique et Défense

LBM – SLM 280 HL

Aluminium – Inox - Maraging

LBM : Médical

MI3D : Aéro, Luxe, mécanique

LBM – Trumpf

MI3D: MBJ – Digital Metal

Ti tane + CrCo + Inox

Aéronautique & Energie

LBM Addup + 3D Systems

DMD

Titane, Inconel, etc.

Feuille de route R&D

en cours de définition

Médical, Aéro,

outi llages, raccords…

MBJ

Inox + Ti tane

Plateformes partagées : outil de transfert unique

Marché

Technologie

Matériaux

Marché

Technologie

Matériaux

Marché

Technologie

Matériaux

Marché

Technologie

Matériaux

CVL: Plateforme FA à BourgesAuRA: Plateforme FA à Saint-Étienne