En 2023 , l’impression 3D métal n’est plus cette technologie strictement cantonnée à l’emploi de poudres métalliques et de puissants lasers enfermés dans des enceintes cloisonnées. Les contraintes propres à cette approche, que ce soit en matière de coût et de fonctionnement, a donné naissance à une multitude de start-up innovantes qui ont développé leurs propres solutions pour pallier à ces limites.
Faisant échos à Rosotics, cette start-up américaine dont je vous parlais le mois dernier, qui a imaginé une technique étonnante par induction pour imprimer de grandes pièces métalliques, son compatriote Fabrisonic refait parler de lui et de sa technologie à ultrasons.
Le fabricant a récemment présenté sa dernière née appelée « SonicLayer 1600 », une nouvelle imprimante 3D hybride qui combine l’impression 3D par ultrasons avec un fraisage CNC. Si vous ne connaissez pas encore la technologie développée par Fabrisonic, cette entreprise issue d’une joint-venture créée en 2011 entre Solidica et EWI, deux sociétés américaines spécialisées dans les technologies de production, s’est inspirée du soudage par ultrasons de métaux pour créer un nouvelle technique de fabrication additive métallique. Une technique très différente de l’existant puisque sans chaleur, ni liant ! Juste des vibrations.
Assez « simple » finalement, le principe de cette technologie brevetée baptisée « Ultrasonic Additive Manufacturing » (UAM), consiste à souder de fines feuilles métalliques maintenues ensemble sous pression, par le biais d’ultrasons. Des vibrations sonores à haute fréquence (environ 20 000 hertz) provoquent une friction qui crée une forme de soudage où les molécules se lient sans réactions thermiques ou chimiques importantes. Cette liaison à l’état solide qui combine laminage et énergie vibratoire, est ainsi répétée couche après couche jusqu’à l’obtention de la pièce finale.
« Les propriétés de la matière première entrante sont les mêmes que les propriétés de la pièce finale »
Pièce illustrant sur la partie droite la capacité de la technologie de Fabrisonic à lier des feuilles métalliques par ultrasons (crédits photo : Fabrisonic)
En plus de nécessiter peu de chaleur du fait que la température de liaison des métaux soit nettement inférieure à leur température de fusion, l’un des gros avantages de cette approche additive est qu’elle permet de fusionner différents types de métaux, alors qu’habituellement les méthodes d’impression 3D métal classiques ne permettent pas de telles combinaisons. Comme les matériaux n’ont à être que très peu chauffés, elle peut fonctionner avec un large panel de métaux. Aussi bien de l’aluminium que du cuivre, de l’acier inoxydable ou encore du titane.
Une capacité particulièrement intéressante pour celui qui voudrait par exemple imprimer des pièces composites dans le but d’obtenir de meilleures propriétés de conductivité thermique et électrique. « Étant donné que les matériaux ne sont que légèrement chauffés, les matériaux ne subissent pas de changements de taille de grain, de réactions de précipitation ou de changements de phase. » ajoute Fabrisonic. « Les propriétés de la matière première entrante sont les mêmes que les propriétés de la pièce finale. »
Cette méthode se montre également très intéressante pour réaliser des composants électroniques intégrés. En effet, comme il s’agit d’un processus de fabrication à l’état solide, il est possible d’intégrer des fils, des fibres et des capteurs dans un substrat métallique lors de l’impression 3D. À titre d’exemple la société a réussi à imprimer des capteurs directement sur un tuyau de carburant cryogénique de la NASA. Cela a contribué à accroître la fiabilité des données recueillies à l’intérieur de celui-ci.
Fabrisonic explique que si les capteurs sont largement utilisés dans l’industrie pour détecter et répondre aux stimuli externes, malheureusement, la fabrication conventionnelle exige que les capteurs de contrainte, de température et de pression soient éloignés des stimuli. « UAM permet aux capteurs d’être intégrés n’importe où dans une structure métallique permettant la surveillance de la santé, le contrôle de processus complexes et même l’Internet des objets. » Explique le fabricant.
La limite de cette méthode de fabrication par laminage en revanche, est qu’elle ne permet pas de tirer pleinement parti de la complexité de formes qui caractérise l’impression 3D. L’UAM a donc combiné sa technique avec une fraiseuse 3 axes pour gagner en détails et finitions. Cela permet de créer des structures internes en treillis ou alvéolées, des profondes fentes, des creux, et d’autres géométries complexes.
« La SonicLayer 1600 apporte un niveau de capacité à une plate-forme CNC/fraisage de taille moyenne que l’on ne trouve nulle part ailleurs »
Pièce fabriquée selon la technologie additive par ultrasons de Fabrisonic, combinant du cuivre et de l’aluminium (crédits photo : Fabrisonic)
Si cette technique présente bien sûr certaines limites comparée à la fusion laser sur lit de poudre, notamment en matière de précision, elle présente l’avantage d’être moins coûteuse et plus facile d’utilisation. La technologie UAM se montre également adaptée à l’impression de grands composants métalliques, ce qui est on le sait plus compliqué avec les procédés sur lit de poudre.
SonicLayer 1600, le dernier système de Fabrisonic, reprend les fondamentaux de ses aînées SonicLayer 4 000 et 7 200, c’est à dire une impression par ultrasons et une tête de fraisage CNC alimentée par un moteur de 9 kW, mais avec un volume de fabrication beaucoup plus modeste : 368 x 368 x 432 mm contre 1016 × 610 × 610 mm et 1829 × 1829 × 915 mm. Il s’agit d’une taille intermédiaire, puisqu’un autre modèle appelé SonicLayer 120 propose un volume de construction de 25,4 x 25,4 x 25,4 cm.
En 2021, cette dernière avait d’ailleurs servi à créer des échangeurs de chaleur satellites plus performants (voir photo ci-dessous) pour le Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. En faisant appel à cette machine plus petite, non seulement les composants résultants s’étaient avérés plus rentables, mais les joints avaient passé avec succès les tests très poussés du JPL. Ils comprenaient notamment un lancement simulé de la fusée Atlas V.
Le fabricant explique : « La SonicLayer 1600 est la plate-forme de fabrication idéale pour les opérations de fabrication qui nécessitent la production de produits et d’appareils qui impliquent l’impression de métaux différents, l’intégration de capteurs ou la création de voies et de géométries internes lisses et complexes – ou les trois. La SonicLayer 1600 apporte un niveau de capacité à une plate-forme CNC/fraisage de taille moyenne que l’on ne trouve nulle part ailleurs. »
Comme tant d’autres fabricants avant lui, à travers cette décision Fabrisonic cherche à rendre sa technologie d’une part plus abordable, mais aussi moins encombrante pour capter de nouveaux clients. La solution trouvée par l’entreprise pour faire entrer ses machines dans les ateliers est le downsizing, cette pratique par laquelle un industriel diminue la quantité d’un produit ou sa taille pour en faire baisser le prix.
De quoi améliorer encore un peu plus les chiffres du fabricant américain dont les dernières déclarations laissent à penser qu’il connaît une période faste de croissance. Plus tôt cette année, la société déclarait avoir signé de nombreux contrats – dont plusieurs gouvernementaux – qui l’auraient amenée à déménager sur un site plus grand et ultramoderne à Lewis Center, dans l’Ohio.
Echangeur de chaleur imprimé avec la technologie à ultrasons de Fabrisonic pour le laboratoire Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA (crédits photo : Fabrisonic)
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