Fusion laser avec des métaux modifie la fabrication du futur

Dr. Florian Bechmann : « La vision des clients se concentre actuellement très fortement sur les exigences de qualité. Cela nécessite un haut niveau de coordination entre l'optique, la mécanique, la technologie de commande et le logiciel d'une installation. » (Source de l'image : Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann : « Les clients sont actuellement très concentrés sur les exigences de qualité. Cela nécessite la bonne combinaison d'optique, de mécanique, de technologie de contrôle et de logiciel. » (Photo : Concept Laser GmbH)

Dr. Florian Bechmann : « Cette représentation 3D augmentera à l'avenir la transparence du processus en saisissant la pièce dans son ensemble structurel. Cela permet une transparence dans un processus rapide et hautement dynamique, que l'opérateur ne peut maîtriser qu'avec des aides particulières. » (Source de l'image : Concept Laser GmbH) / Dr. Florian Bechmann : « Ce type d'imagerie 3D augmentera la transparence du processus à l'avenir en capturant la pièce dans son intégralité structurelle. Cela crée une transparence dans un processus rapide et hautement dynamique, que les opérateurs ne peuvent maîtriser qu'avec des aides spéciales. » (Photo : Concept Laser GmbH)

« Surveillance du processus en ligne » avec le module QM QMmeltpool : le système surveille le processus à l’aide d’une caméra et d’une diode photo sur une très petite surface de 1x1 mm². Ensuite, le processus est documenté. (Source de l’image : Concept Laser GmbH) / « Surveillance du processus en ligne » avec le module QM QMmeltpool : le système utilise une caméra et une diode photo pour surveiller le processus dans une zone très petite de 1x1 mm². Le processus est ensuite documenté. (Photo : Concept Laser GmbH)

Contrôle qualité actif avec le QMmeltpool : pour l'œil humain, aucune erreur n'est détectable. Cependant, le QMmeltpool détecte néanmoins les écarts dans la qualité du composant. (Source de l'image : Concept Laser GmbH) / Assurance qualité active utilisant le QMmeltpool : bien que l'œil humain ne puisse pas détecter les défauts, le QMmeltpool identifie néanmoins les écarts dans la qualité du composant. (Photo : Concept Laser GmbH)

QMcoating : Sans QMcoating, la couche peut être insuffisamment recouverte (les zones rouges indiquent un manque de matériau en poudre) ; avec la méthode QMcoating, le facteur de dosage de la poudre est ajusté dans la plage de tolérance. (Source de l'image : Concept Laser GmbH)

QMcoating : Grâce à QMcoating, il est possible d’économiser jusqu’à 25 % de poudre par rapport à une manipulation manuelle (potentiel d’économie = zone hachurée). (Source de l’image : Concept Laser GmbH) / QMcoating : L’utilisation de QMcoating peut permettre d’économiser jusqu’à 25 % de la quantité de poudre requise par rapport à une opération manuelle (économies potentielles = zone ombrée). (Photo : Concept Laser GmbH)

Plus grande pièce fabriquée de manière additive : un boîtier de transmission en aluminium (dimensions : x : 474 mm ; y : 367 mm ; z : 480 mm – hors hauteur de la plateforme de construction) est réalisé à partir de poudre à des débits de > 50 cm³/h. (Source de l'image : Concept Laser GmbH) / La plus grande pièce produite par fabrication additive : un boîtier de transmission en aluminium (dimensions : x : 474 mm ; y : 367 mm ; z : 480 mm – hors hauteur de la plateforme de construction) est construit à partir de poudre à des débits de > 50 cm³/h. (Photo : Concept Laser GmbH)

Image de bijou LaserCUSING. (Source de l'image : Concept Laser GmbH) / Photo de couverture LaserCUSING (Photo : Concept Laser GmbH)

Le mot magique de la fabrication industrielle est l'impression 3D. La rupture avec la pensée liée à la forme, vers une liberté géométrique additive des pièces, n'est plus une mode, mais une tendance forte. Les avantages sont évidents : des délais de production plus courts, des pièces moins coûteuses et une liberté de conception jusque-là inconnue. Conséquence de cette évolution dynamique du marché : le secteur semble s'habituer à des taux de croissance à deux chiffres. Le Dr Florian Bechmann, responsable du développement chez Concept Laser, évoque les tendances et les exigences accrues en matière de qualité.

Les pionniers de la méthode sont l'industrie automobile, la technologie médicale, ainsi que l'aérospatiale. Ces moteurs technologiques ne demandent pas seulement des exigences élevées en termes de qualité ou de choix des matériaux, mais aussi des aspects quantitatifs, comme l'augmentation de la productivité. Ces utilisateurs exigent des délais de fabrication plus courts ou plus de pièces dans un même volume de construction. Pour l'industrie automobile, Concept Laser a développé le plus grand volume de construction actuel avec la X line 1000R. La transition du laser de 400W à 1 000W est considérée comme une étape importante de la méthode. Le développement a été réalisé en étroite collaboration avec les spécialistes du laser de la société Fraunhofer. L'objectif était de réaliser des processus plus rapides, également moins coûteux. Le développement de moteurs modernes ou de grandes pièces pour l'aérospatiale sont des applications pour des installations de fusion laser très volumineuses.

L'aérospatiale mise résolument sur les procédés génératifs

Les innovations proviennent de plus en plus de l'aérospatiale, qui exige des solutions de haute qualité. L'utilisation de matériaux réactifs comme le titane ou les alliages d'aluminium, qui ne peuvent être fabriqués en toute sécurité et avec une haute qualité que dans un système fermé, est très demandée dans l'aérospatiale. Tous les utilisateurs, tels que la NASA, le Centre allemand pour l'aéronautique et l'espace (DLR), Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne ou Astrium Space Transportation du groupe EADS, considèrent la méthode générative comme la prochaine étape de développement de la fabrication moderne à grande échelle. Les ingénieurs de la NASA envisagent même de fabriquer des pièces de manière additive dans la station spatiale internationale, c'est-à-dire en orbite. Cela aurait l'avantage de pouvoir fabriquer des pièces dans l'espace à partir de données CAO. On observe un investissement élevé en capital et en personnel aux États-Unis. Cela concerne la recherche et l'enseignement, mais aussi l'industrie. Les Européens peuvent apporter leurs contributions en recherche et en technologie des machines, notamment aux États-Unis et en Europe. En Europe, l'UE soutient cette méthode par des projets comme AMAZE, convaincue de sa durabilité et de son potentiel d'innovation.

La technologie médicale comme pilier essentiel

La fusion laser de métaux révolutionne durablement la technologie médicale : les chaînes de processus traditionnelles sont complètement repensées. Ainsi, les pièces fabriquées par LaserCUSING pour les implants sont demandées, car elles favorisent une bonne intégration dans les tissus grâce à leurs surfaces poreuses, tout en permettant une élasticité nécessaire. Une application émergente est la fabrication de prothèses dentaires à moindre coût et rapidement, à partir de matériaux biocompatibles. Des solutions dentaires durables, performantes, et produites rapidement, remplacent les prothèses artisanales.

La conservation de la valeur comme option

Même dans le domaine du retrofit, la méthode peut faire ses preuves : les pièces de turbines usées, provenant de la technologie énergétique ou de l'aéronautique, peuvent être régénérées rapidement et à moindre coût. Sur le corps principal, des couches additionnelles en matériau identique peuvent être appliquées de manière additive, en technique hybride. En plus de la régénération, de nouvelles pièces complètes sont fabriquées dans la technologie des turbines.

Les efforts en R&D augmentent

Pour accélérer le développement et répondre à la demande croissante du marché, Concept Laser a ouvert fin 2013 un nouveau centre de développement. La fusion laser de métaux exerce une fascination importante pour la conception de pièces chez les concepteurs et ingénieurs de divers secteurs. L'objectif des fabricants d'installations est d'accompagner cette évolution du marché par des innovations. Pour des systèmes complexes, une interaction intensive entre optique, mécanique, contrôle, logiciel et matériaux en poudre doit être assurée. Dans ce nouveau centre, Concept Laser travaille sur des « innovations discrètes » qui ne seront pas destinées à être dévoilées au grand public.

De nouvelles options pour les concepteurs

Avec LaserCUSING, il est possible d'intégrer des fonctions telles que des canaux de refroidissement. Cela est intéressant pour les pièces soumises à de fortes contraintes thermiques, ou pour réduire les cycles de fabrication dans l'injection plastique. Dans l'industrie offshore, il est envisagé d'installer des systèmes de fusion laser sur des plateformes de forage pour produire certains composants localement, de manière autonome. La technologie n'est pas liée à un lieu précis et peut fonctionner localement.

S'assurer de la qualité en temps réel

Concept Laser propose des modules de gestion de la qualité pour ses systèmes. Deux approches existent : QMmeltpool et QMcoating. Le Dr Bechmann explique : « Avec QMmeltpool, le système enregistre, à l'aide d'une caméra et d'une photodiode, des signaux pendant la fabrication. Ces données peuvent ensuite être comparées à une référence. Le système optique est coaxial. Il permet à la caméra de capturer la zone de fusion d'environ 1x1mm². Des réductions de puissance du laser, causées par la contamination de la lentille F-Theta ou par le vieillissement naturel du laser, ainsi que des écarts dans le facteur de dosage, peuvent ainsi être détectés. » La deuxième approche est le module QMcoating : il garantit l'utilisation de la quantité optimale de poudre, pour économiser jusqu'à 25 % de matériau inutilisé et réduire les temps de mise en service. QMcoating contrôle la surface de la couche lors de l'application de la poudre. En cas de dosage insuffisant ou excessif, le facteur de dosage est ajusté en conséquence, en contrôlant activement le processus. Les deux modules QM surveillent et documentent le processus en temps réel, assurant ainsi une qualité reproductible.

Des facteurs clés pour une meilleure qualité en détail

Chez Concept Laser, une séparation caractéristique entre l'espace de construction et la zone de manipulation est notable : cela, selon le Dr Florian Bechmann, doit garantir une sécurité maximale et une ergonomie optimale. Les systèmes disposent d’un transport automatique de poudre dans des conteneurs. La technique de l’équipement en tant que « système fermé » pour la fusion laser de métaux offre de nombreux avantages : cela concerne la qualité des pièces, car la contamination par l’oxygène est évitée, mais aussi la sécurité, lors de la manipulation de matériaux réactifs comme le titane ou ses alliages. Les exigences de sécurité pour la technologie des systèmes sont définies par la directive ATEX de l’UE.

Perspectives futures de la fusion laser

Excellentes perspectives d'avenir
Les applications de la fusion laser de métaux s'élargissent, tout comme la gamme de matériaux. Cela nécessite une forte capacité de conseil que Concept Laser doit fournir pour le marché. Le Dr Florian Bechmann : « La technologie des systèmes doit constamment s’adapter précisément à ces nouveaux matériaux. Parallèlement, les exigences constructives des pièces augmentent, allant du poids léger ou des structures quasi-mousses à l’intégration de fonctions, comme des circuits de refroidissement dans les pièces. » La multiplication des collaborations intersectorielles stimule la vitesse d’innovation des fabricants d’équipements. Un autre aspect est l’importance croissante de la qualité dans la perception des utilisateurs. Les clients attendent une surveillance active du processus et une production en série fiable, c’est-à-dire une reproductibilité à l’échelle industrielle.

L’augmentation des exigences en matière de qualité
« La perception des clients se concentre actuellement fortement sur les exigences en matière de qualité. Cela nécessite un haut niveau de coordination entre optique, mécanique, contrôle et logiciel de l’équipement », explique le Dr Bechmann. Les facteurs clés résident dans une surveillance globale de la qualité. Les modules de gestion de la qualité brevetés (« modules QM ») de Concept Laser déterminent la qualité, la facilité d’utilisation et la capacité d’intervention en temps réel dans le processus de fabrication très dynamique. Les utilisateurs s’intéressent aujourd’hui, en plus de la géométrie, de la densité et de la productivité, à la qualité du produit final. Comme l’explique le Dr Bechmann : « Deux approches sont essentielles pour une meilleure qualité : la surveillance active du processus par la technologie de la machine et les développements liés aux matériaux. Cela inclut la certification des matériaux, par exemple dans la technologie médicale, ou encore les réglementations spécifiques des fabricants, comme dans l’automobile ou l’aéronautique. »

Développements à venir à court terme
Le Dr Florian Bechmann voit notamment dans la cartographie, c’est-à-dire une « carte du composant », des évolutions importantes à court terme. Les cartographies 2D seront générées pendant le processus de fabrication et pourront ensuite être représentées en 3D. Cela ressemble aux images obtenues par tomographie par ordinateur (CT) en médecine. Le Dr Bechmann : « Cette représentation en 3D augmentera la transparence du processus et permettra de saisir le composant dans sa globalité structurelle. Cela signifie une transparence dans un processus très dynamique et rapide, que l’opérateur ne peut maîtriser qu’avec des aides spécifiques. » Les attentes des clients concernant la vitesse future de fabrication des pièces sont également importantes : « Deux voies existent : d’une part, une puissance laser plus élevée, comme avec la X line 1000R, c’est-à-dire le passage d’un laser de 400W à 1 000W, et d’autre part, l’utilisation de plusieurs lasers. » Plusieurs sources laser pourront à l’avenir augmenter considérablement la cadence de fabrication, mais il faut peser l’avantage d’utiliser des paramètres de processus connus contre la complexité croissante de la configuration optique. Dans ces concepts, ce ne sont pas seulement le laser, mais aussi une grande partie des autres composants optiques qui seront multipliés.

Informations complémentaires : Deux aspects périphériques de la fusion laser

Technologie verte : durabilité et aspects écologiques de la fabrication générative
La fusion laser est un procédé de fabrication très durable. De nombreux facteurs attestent du saut quantique de la fusion laser en termes d’empreinte écologique ou de bilan CO2 :

• l’élimination des étapes de fabrication de moules ou de fonderie
• la réduction de la logistique grâce à la fabrication locale ou décentralisée (par exemple sur des plateformes offshore ou dans une station spatiale)
• l’économie de matériaux durant le processus
• l’absence d’émissions sonores particulières
• la fabrication rapide de prototypes ou d’échantillons
• la possibilité de retrofit de pièces par technique hybride
• l’absence d’émissions d’huile ou de fluides de refroidissement, contrairement aux machines conventionnelles
• la chaleur résiduelle du laser peut être utilisée comme chauffage dans le bâtiment
• une consommation électrique avantageuse pour une installation
• la fabrication « à la demande »
• la production d’objets uniques (lot 1)
• moins de rebuts

Une gamme complète de possibilités pour une fabrication plus durable. La fusion laser est à juste titre qualifiée de « technologie verte » et est considérée par l’UE comme une technologie clé européenne pour la fabrication de demain.

Impression 3D industrielle versus impression 3D grand public
Dans tous les salons, les imprimantes 3D attirent l’attention. Les intéressés s’informent déjà pour savoir s’il est possible d’imprimer des briques Lego ou, plus audacieux, des aliments. Cela suit la logique, plutôt que de vouloir imprimer en 2D, avec une imprimante laser, des corps en trois dimensions. Pour les corps techniques, des imprimantes abordables, à moins de 1 000 euros, existent déjà aujourd’hui pour des dimensions limitées.

Bien sûr, cela n’a rien à voir avec une vision industrielle de la fusion laser avec des métaux. Il faut distinguer les applications grand public et industrielles : la technologie industrielle mise sur des qualités très élevées, des tailles de pièces ou la fabrication parallèle d’un grand nombre de pièces dans un même volume, ainsi que sur d’autres cadences que dans le segment grand public. Les exigences particulières en matière de qualité et de matériaux, jusqu’à la certification des matériaux et du processus, découlent des secteurs nécessitant une fabrication à l’échelle industrielle, tels que l’aéronautique, la fabrication de turbines, la technologie médicale et dentaire, l’automobile, ou la joaillerie. Dans ces secteurs, des métaux et alliages haute performance, voire des matériaux réactifs, sont attendus avec une grande fiabilité, une reproductibilité et sous des aspects de sécurité élevés. La technologie nécessaire pour cela exige une interaction précise entre optique, mécanique, contrôle et logiciel, avec des éléments de contrôle qualité pour assurer un processus hautement dynamique en temps réel.

Le principe de fonctionnement est similaire, mais les solutions grand public en impression 3D se comportent à peu près comme les fusées V2 de Wernher von Braun par rapport à la technologie moderne des fusées. Il ne s’agit donc pas des « pommes ou poires » tant citées, mais de deux philosophies et applications totalement différentes.

Informations de fond sur LaserCUSING®

Mot-clé : LaserCUSING®
La méthode LaserCUSING® permet de fabriquer des pièces métalliques mécaniquement et thermiquement résistantes avec une grande précision. Selon l’application, on utilise des aciers précieux ou d’outillage, des alliages d’aluminium ou de titane, des superalliages à base de nickel, des alliages cobalt-chrome ou encore des métaux précieux comme l’or ou l’argent.

Description de la méthode
Le LaserCUSING® consiste à faire fondre localement, à l’aide d’un laser à fibre à haute énergie, une fine poudre métallique. Après refroidissement, le matériau se solidifie. La contour de la pièce est créée par déviation du faisceau laser à l’aide d’un miroir (scanner). La construction de la pièce se fait couche par couche (avec une épaisseur de couche de 15 à 100 μm) par abaissement du fond du volume de construction, ajout de poudre et nouvelle fusion.

La particularité des systèmes Concept Laser est une commande stochastique des segments de tranches (« îlots »), qui sont traités successivement. La méthode brevetée permet une réduction significative des tensions lors de la fabrication de très grandes pièces.