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Une étude sur la durabilité des poudres et fils pour la fabrication additive métallique

poudre métallique additive au microscope

Si la fabrication additive apparaît comme l’une des solutions les plus prometteuses pour répondre aux enjeux environnementaux, notamment par les économies de matières premières et d’énergie qu’elle autorise, il nous manque encore le recul nécessaire pour valider pleinement ses bénéfices réels sur le plan écologique.

Jusqu’ici plutôt rares, les études consacrées à ce sujet commencent néanmoins à se multiplier. Dernièrement c’est l’Additive Manufacturer Green Trade Association (« AMGTA« ), une association dédiée à la promotion des pratiques durables de l’industrie de la fabrication additive, qui a révélé les résultats préliminaires d’un projet de recherche intitulé « Specific Energy of Metal AM Feedstock : A Comparison. »

L’étude, commandée par l’AMGTA et menée par Syntec Associates, un cabinet de conseil en recherche, en partenariat avec Divergent Technologies, une start-up américaine spécialisée dans l’impression 3D automobile, a évalué trois approches clés de traitement des matières premières de fabrication additive métallique : l’atomisation au gaz, le broyage mécanique (en particulier le broyage à partir de billes). ) et le tréfilage – pour déterminer les besoins énergétiques spécifiques pour la production de matières premières.

Les résultats de la recherche ont mis en évidence que d’un point de vue énergétique, l’atomisation de gaz à partir d’hélium est la méthode la plus durable utilisée pour l’atomisation de gaz pour la production de poudres métalliques d’alliages couramment utilisés, suivie par l’argon puis l’azote.

« j’ai trouvé de grandes variations dans la littérature sur le processus de FA et la consommation d’énergie de l’atomisation de la poudre »

logo AMGTA

La consommation d’énergie spécifique pour l’atomisation dépend également de manière critique des paramètres du processus et de la chimie de l’alliage. De plus, des recherches ont montré que le broyage mécanique, lorsqu’il est approprié pour la production de poudre dans le cadre de la fabrication additive, présente une réduction significative de la consommation d’énergie spécifique par rapport à l’atomisation au gaz.

« Lors de la préparation des évaluations du cycle de vie sur le traitement industriel de nos alliages, j’ai trouvé de grandes variations dans la littérature sur le processus de FA et la consommation d’énergie de l’atomisation de la poudre », a déclaré Michael Kenworthy, directeur de la technologie chez Divergent Technologies et directeur du conseil d’administration d’AMGTA. « Cette recherche a permis d’établir un ensemble transparent d’hypothèses et de modèles de processus à partir desquels il est possible de comprendre les principaux leviers du processus et d’évaluer les études commerciales du système qui informent sur les améliorations futures en matière de durabilité. »

Les principaux points à retenir de cette étude sont les suivants :

  • L’atomisation à l’hélium gazeux est la meilleure pour l’atomisation de poudre : la recherche indique que, d’un point de vue énergétique, l’atomisation à l’hélium gazeux se distingue comme la méthode d’atomisation au gaz la plus durable, montrant une réduction significative de la consommation d’énergie spécifique par rapport à l’argon et à l’azote pour les alliages couramment utilisés.
  • La poudre atomisée à l’argon est meilleure que l’azote : Pour ceux qui recherchent une alternative à l’hélium, la poudre atomisée à l’argon se révèle être une option notable, permettant des économies d’énergie par rapport à la poudre atomisée à l’azote.
  • Le broyage mécanique surpasse l’atomisation au gaz : le broyage mécanique, en particulier le broyage à boulets, démontre une réduction significative de la consommation d’énergie spécifique
    par rapport à l’atomisation au gaz pour la production de poudre métallique.
  • L’orientation de l’industrie pour des choix durables : cette recherche souligne l’importance de sélectionner des méthodes de fabrication ayant la consommation d’énergie spécifique par kilogramme la plus faible pour améliorer la durabilité globale lors de la production de matières premières utilisées dans la fabrication additive.

« L’un des principaux objectifs de l’AMGTA est d’éduquer le consommateur sur les méthodes de production les plus durables au sein de la chaîne d’approvisionnement additive »

« L’un des principaux objectifs de l’AMGTA est d’éduquer le consommateur sur les méthodes de production les plus durables au sein de la chaîne d’approvisionnement additive. Cette recherche importante fournit des indications sur les méthodes d’atomisation de gaz qui nécessitent le moins d’énergie spécifique par kilogramme », a déclaré Brian R. Neff, président du conseil d’administration de l’AMGTA. « Dans le même temps, cela indique au marché que les méthodes de production mécaniques de matières premières en poudre, telles que le broyage à boulets, sont elles-mêmes bien meilleures que l’atomisation de gaz d’un point de vue énergétique. »

L’atomisation au gaz, considérée comme une technologie prometteuse pour produire des poudres de base pour la fabrication additive, est l’autre point centrale de cette étude. Les recherches ont révélé que l’atomisation au gaz utilisant l’hélium comme gaz d’atomisation entraînait la consommation d’énergie spécifique totale la plus faible par rapport à l’argon (13 % de mieux en moyenne) et à l’azote (28 % de mieux en moyenne). De plus, il a été constaté que la poudre atomisée à l’argon réduisait les besoins énergétiques de 12 % par rapport à la poudre atomisée à l’azote pour les alliages étudiés (SS316L, Al5083 et IN718).

L’étude souligne par ailleurs l’efficacité de la production mécanique de poudre, en particulier le broyage à billes, qui a montré une amélioration d’environ 90 % de la consommation d’énergie spécifique par rapport à l’atomisation au gaz pour la gamme de conditions de procédé étudiées. Des recherches plus approfondies sont recommandées pour déterminer l’impact appliqué au sein de catégories de produits spécifiques de l’utilisation de poudre atomisée à l’hélium et/ou de poudre broyée avec des billes.

« Cette recherche s’aligne sur l’engagement de l’AMGTA à mieux comprendre les pratiques de fabrication durables tirant parti des technologies additives », a déclaré Sherri Monroe, directrice exécutive de l’AMGTA. « Ces résultats mettent en évidence des considérations clés pour les fabricants qui recherchent des méthodes de production de matières premières respectueuses de l’environnement. Pour faire progresser la durabilité dans la fabrication additive, la recherche est essentielle afin de prendre des décisions éclairées. »

Les données phares de l’étude peuvent être consultées sur le site web de l’AMGTA. Cette dernière indique qu’elle prévoit de publier des recherches indépendantes supplémentaires tout au long de 2024.

Alexandre Moussion