La technologie de fusion par faisceau d’électrons prend de la hauteur
L’industrie aéronautique fait partie des premières à prôner l’impression métallique 3D. En moins de dix ans, la technologie est devenue partie intégrante du processus de production. Les alliages métalliques imprimés en 3D peuvent survivre à des vitesses élevées et à des environnements très chauds, le tout en optimisant le rapport solidité/poids de l’aéronef. Jusqu’à présent, l’impression métallique 3D dans l’aéronautique était essentiellement associée à la fusion sélective par laser, mais davantage d’alternatives prometteuses comme l’EBM font leur apparition. Le fournisseur de solutions de fabrication additive métallique, Arcam EBM, est connu pour sa technologie EBM innovante, qui offre une liberté de conception, d’excellentes propriétés des matériaux et des capacités de superposition. Le projet EBMPerform, financé par l’UE, a permis à l’entreprise suédoise de réviser les sources de faisceaux d’électrons et d’améliorer le logiciel d’impression 3D de ses machines EBM, afin de mieux répondre aux exigences du marché de l’aéronautique. L’objectif ultime consiste à produire en masse des pièces métalliques fiables, imprimées en 3D, qui puissent résister à une chaleur intense et à des pressions élevées.
La différence de l’EBM: maintenir des températures élevées
Dans le processus breveté d’Arcam, les composants métalliques sont conçus couche par couche à partir de poudres métalliques qui sont fusionnées grâce à un puissant faisceau d’électrons en suivant les spécifications exactes d’un modèle de conception assistée par ordinateur. Le faisceau d’électrons est géré par des bobines électromagnétiques qui fournissent un contrôle extrêmement rapide et précis du faisceau, afin de maintenir simultanément plusieurs bains de fusion (jusqu’à 70) sans compromettre la finition et la précision de surface. Le processus a lieu sous vide à des températures élevées, ce qui génère des pièces sans contrainte résiduelle avec des propriétés de matériaux supérieures à la fonte et comparables aux métaux forgés. Pour chaque couche de la pièce, le faisceau chauffe l’ensemble du lit de poudre à une température optimale spécifique au matériau utilisé. Cela permet aux ingénieurs de produire des pièces denses, exemptes de cavités. Ce processus élimine également le besoin de recourir à des méthodes de post-traitement comme le traitement thermique, qui a un impact considérable sur les coûts de production totaux. «Une caractéristique propre à notre technologie EBM améliorée sera la capacité de garder l’ensemble de la pièce à de très hautes températures, supérieures à 1 000 °C, pour des applications exigeantes comme l’aéronautique», explique le Dr Anders Snis, gestionnaire du groupe de recherche développant de nouvelles stratégies liées aux procédés et de nouveaux matériaux. «Nous travaillons actuellement sur de meilleurs modèles pour contrôler le processus de fusion et sur de meilleurs modèles thermiques pour gérer la distribution de chaleur sur la pièce. À terme, ces solutions nous aideront à produire des pièces imprimées en 3D plus complexes.» La fabrication à des températures supérieures à 1 000 °C ouvre des possibilités uniques aux pièces d’aéronefs imprimées en 3D qui s’appuient sur des matériaux susceptibles de se fissurer. «Par exemple, les ingénieurs aéronautiques peuvent fabriquer de manière additive des aubes de turbines de réacteurs en recourant à de l’aluminure de titane (TiAl) et d’autres alliages de pointe. Bien qu’ils soient susceptibles de se fissurer, ces matériaux sont particulièrement appréciés pour leur solidité et leur résistance à la chaleur», ajoute le Dr Snis. Depuis 2019, l’EBM est la seule solution de fabrication additive commerciale pour la production de pièces en TiAl légères.
Résultats attendus
Les chercheurs travaillent sur plusieurs fronts: de nouveaux types de sources de faisceaux d’électrons, l’autocalibrage de haute précision, des plateformes logicielles nouvelles ou améliorées, et de l’électronique pour un contrôle efficace et précis du faisceau, afin d’optimiser la technologie EBM. En ce qui concerne le matériel, les nouveaux systèmes devraient être plus robustes, avoir une plus longue durée de vie et pouvoir produire des composants à partir de différents matériaux. Une meilleure technologie EBM profitera considérablement aux applications exigeantes, comme les aubes de turbines et les pièces structurelles destinées au secteur aéronautique qui doivent répondre aux normes matérielles les plus élevées.
Mots‑clés
EBMPerform, métal, aéronautique, impression 3D, températures élevées, Arcam EBM, fabrication additive, aube de turbine, aluminure de titane (TiAl)
