Quels sont les procédés de fabrication additive de l'aluminium disponibles ?

Leur faible densité, leur résistance spécifique et leur rigidité élevées, leur bonne ductilité, leur excellente conductivité électrique et thermique, ainsi que leur bonne résistance à la corrosion font des alliages d’aluminium des matériaux structurels légers de choix pour les applications aérospatiales, de transport et maritimes. À mesure que les cycles de développement des produits se raccourcissent, les procédés conventionnels de fusion, de moulage et de forgeage peinent de plus en plus à répondre à la demande en composants complexes de haute précision. La fabrication doit être efficace, réagir rapidement aux modifications de conception et s'adapter avec souplesse à des géométries complexes.

La fabrication additive permet de créer des pièces physiques couche par couche. Dans les secteurs de l'aérospatiale, de la biomédecine et du transport ferroviaire, elle permet une production rapide de pièces uniques ou en petites séries, une plus grande liberté de conception, la personnalisation de formes complexes et une mise sur le marché plus rapide, tout en surmontant certaines limites d'échelle des méthodes traditionnelles.

Les procédés de fabrication additive de l'aluminium sont principalement classés en fonction de leur principe de fonctionnement et de leur source de chaleur : fabrication additive par laser, par faisceau d'électrons, par arc électrique, par ultrasons et par agitation par friction. Chacun présente des caractéristiques de procédé distinctes.

Fabrication additive par laser d'alliages d'aluminium

La fabrication additive par laser utilise une source de chaleur laser et offre une grande précision de formage, relativement peu de défauts internes et de bonnes propriétés mécaniques. Elle utilise généralement de la poudre d’alliage d’aluminium. Les espaces irréguliers entre les particules de poudre peuvent réduire la densité de la pièce, tandis que la forte réflectivité laser de la plupart des alliages d’aluminium diminue le rendement énergétique. Cette méthode est donc principalement utilisée pour les alliages d'aluminium moulés ou les alliages présentant une bonne soudabilité.

Les deux principales variantes sont le dépôt par fusion laser avec alimentation synchronisée en poudre métallique et la fusion laser sur lit de poudre. La première consiste à alimenter en poudre de manière continue ; la seconde consiste à faire fondre avec précision des couches successives dans un lit de poudre afin de former des structures complexes.

Les alliages Al-Si présentent de bonnes propriétés de coulée et de formage à chaud et font l'objet de nombreuses études. Des chercheurs de l'université Jiaotong de Xi'an ont optimisé la puissance du laser, la vitesse de balayage et l'espacement des traits pour la fusion sélective au laser de l'AlSi10Mg et ont proposé un modèle de densité d'énergie décrivant la relation entre l'apport d'énergie et la densité. À une valeur comprise entre 4,0 et 6,0 J/mm², la densité dépassait 98%. L’Institut de recherche sur les métaux de l’Académie chinoise des sciences a produit des échantillons d’AlSi10Mg présentant une densité de 99,63% et de bonnes propriétés mécaniques, et a comparé différents traitements thermiques pour un matériau orienté parallèlement au plateau d’impression. La résistance à la traction horizontale à l’état tel que déposé a atteint 478 MPa, l’allongement était d’environ 8% et la dureté moyenne d’environ 122 HV. Après un vieillissement à 130 °C pendant 4 heures, les bains de fusion ont conservé une structure de silicium complète de type réseau. La plasticité a augmenté pour atteindre environ 11,91 TP33T tout en conservant une résistance élevée, et la dureté moyenne a augmenté pour atteindre 133 HV, soit environ 91 TP33T de plus que la valeur à l’état tel que déposé.

L'usinage au laser des alliages d'aluminium à haute résistance des séries 2xxx et 7xxx reste difficile. Les chercheurs s'efforcent de réduire les défauts internes et d'améliorer les propriétés mécaniques grâce à l'optimisation des paramètres, à l'utilisation de nucléants sous forme de nanoparticules, à la modification de la composition et au post-traitement. Lors d'expériences de fusion laser sur lit de poudre utilisant des poudres de 7075 à différentes teneurs en silicium, l'affinage du grain induit par le silicium a permis de réduire considérablement la formation de microfissures.

Fabrication additive par faisceau d'électrons d'alliages d'aluminium

La fabrication additive par faisceau d'électrons se subdivise, en fonction du matériau de base utilisé, en deux catégories : la fusion sur lit de poudre par faisceau d'électrons et la fabrication additive par alimentation en fil par faisceau d'électrons.

La fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre utilise un faisceau d'électrons comme source de chaleur sous vide. Un balayage à grande vitesse chauffe et fait fondre la poudre métallique couche par couche pour former une pièce. La fabrication additive par faisceau d'électrons avec alimentation en fil fait fondre un fil alimenté de manière synchrone à l'aide d'un faisceau à haute énergie et le dépose couche par couche le long d'un trajet défini par CAD jusqu'à la formation d'un composant dense. L’absorption du faisceau d’électrons étant plus de deux fois supérieure à celle d’un faisceau laser, cette technologie présente un potentiel considérable pour les alliages d’aluminium à haute résistance.

Les recherches restent limitées et portent principalement sur les procédés à faisceau d’électrons avec alimentation par fil. Le Centre de recherche Langley de la NASA a étudié la fenêtre de traitement de l’alliage d’aluminium 2219 ainsi que les effets de la vitesse d’avance, du débit d’alimentation du fil et de la puissance du faisceau sur la microstructure et les propriétés mécaniques. Brice, de Lockheed Martin Space Systems, a produit des échantillons d’aluminium 2139 par dépôt d’énergie dirigée par faisceau d’électrons et a évalué l’impact de l’évaporation du magnésium sur la précipitation et les performances mécaniques ; la perte de magnésium a atteint 65% pendant le dépôt. Des chercheurs de l’université de Tsinghua ont étudié le traitement par faisceau d’électrons sur lit de poudre de l’alliage d’aluminium 2024. Le courant du faisceau et la vitesse de balayage ont eu une influence significative sur la densité relative et la microstructure. Des précipités contenant du cuivre, du manganèse et du fer se sont formés le long des joints de grains dans la matrice α-Al. Des paramètres adaptés ont permis d’obtenir une résistance à la traction pouvant atteindre 314 MPa et un allongement de 6%.

Fabrication additive par arc électrique d'alliages d'aluminium

La fabrication additive par arc permet de construire des pièces couche par couche à l'aide d'une source de chaleur par arc et d'une alimentation en fil synchronisée. Le taux élevé d'utilisation du matériau, le coût relativement faible des équipements et un grand volume d'impression en font une technique adaptée aux structures de grande taille et complexes. Cependant, l'apport de chaleur élevé lié au soudage, ainsi que la qualité de surface et la précision relativement médiocres, nécessitent généralement un post-traitement important. La réduction de l'apport de chaleur afin d'améliorer la précision et la qualité de surface constitue un objectif de recherche majeur.

Les travaux de recherche sur les alliages des séries 6xxx et 7xxx sont relativement limités. Le soudage à l'arc sous gaz avec électrode métallique et le soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène ont permis de déposer avec succès les alliages 4047, 5356, 2024 et 7075. Les échantillons ont présenté une résistance à la traction supérieure à celle des échantillons fabriqués de manière conventionnelle, ainsi qu'un grain plus fin.

Le procédé de transfert à froid a également permis d'obtenir des échantillons en alliages d'aluminium 2319, 5087 et 5183 présentant un grain fin, peu de pores et des propriétés mécaniques améliorées. Dans les dépôts par transfert de métal à froid de l’alliage d’aluminium 5336, pratiquement aucune structure à grains équiaxes ou colonnaires n’a été observée, et la taille des grains diminuait avec l’apport de chaleur. L’apport de chaleur détermine la géométrie, la microstructure, les défauts ainsi que les propriétés mécaniques et chimiques. Un chauffage et un refroidissement inégaux lors du dépôt multicouche, en particulier avec un apport de chaleur élevé, peuvent entraîner une accumulation de chaleur, la formation de grains grossiers, des contraintes résiduelles et des déformations. Pour garantir la réussite du traitement, il est nécessaire de contrôler le courant, la tension, la vitesse d’alimentation du fil, la vitesse de déplacement et d’autres variables.

Fabrication additive par ultrasons d'alliages d'aluminium

La fabrication additive par ultrasons utilise une énergie ultrasonique de forte puissance. Les vibrations et le frottement entre les couches de feuilles d'alliage d'aluminium génèrent de la chaleur, favorisent la diffusion atomique interfaciale et créent une liaison métallurgique à l'état solide.

Des chercheurs de l'université de Tohoku, au Japon, ont étudié la microstructure et la répartition interfaciales dans la fabrication additive par ultrasons d'un alliage d'aluminium 6061. L'interface a un effet significatif sur la microstructure : la force motrice de la recristallisation entraîne des changements de phase microscopiques dans la zone interfaciale, et des pores se forment au niveau de l'interface.

Le fonctionnement à basse température évite l'évaporation des éléments d'alliage et préserve les propriétés des joints, ce qui rend ce procédé particulièrement adapté à l'aluminium. Les restrictions à l'exportation des équipements de pointe et le caractère limité de la recherche nationale laissent entrevoir un important potentiel de recherche. Aucun modèle théorique complet de la diffusion atomique à l’interface des matériaux n’a encore été établi, et il n’existe aucun cadre unifié décrivant la déformation plastique interfaciale et l’échauffement par frottement. Il est important de poursuivre les travaux de développement pour améliorer la précision, l’efficacité et la commercialisation.

Fabrication additive par agitation par friction d'alliages d'aluminium

La fabrication additive par agitation par friction est issue du soudage par agitation par friction. Un outil tournant à grande vitesse pénètre dans une tôle d’aluminium et se déplace selon une trajectoire prédéfinie. La chaleur générée par le frottement plastifie et ramollit le matériau, qui s’écoule derrière l’outil pour remplir la cavité et former une couche déposée. Du matériau supplémentaire est ensuite superposé et traité en suivant le même parcours. La source indique que les propriétés mécaniques obtenues peuvent rivaliser avec celles des pièces forgées, mais une partie de cette phrase est incomplète.

Des chercheurs de l'Université polytechnique du Nord-Ouest ont mis au point un procédé de fabrication additive par agitation-friction à épaulement fixe et ont réussi à fabriquer des composants en alliage d'aluminium 7075-O à haute résistance. Ils ont étudié le comportement d'écoulement du métal pendant le dépôt et ont observé des variations significatives de la microstructure et des propriétés mécaniques le long de la direction de fabrication. Par rapport à la technologie classique de soudage par friction-malaxage à épaulement rotatif, l’épaulement fixe reste immobile tandis que la broche tourne à grande vitesse pendant le soudage, ce qui élimine la zone affectée par l’épaulement et permet une fabrication proche de la forme finale.

La fabrication additive par agitation par friction d’aluminium 2024 à haute résistance a permis d’obtenir une structure recristallisée à grains fins et équiaxes. La taille des grains diminuait du bas vers le haut de la pièce. La phase secondaire s'est redissoute ; sa teneur globale était nettement inférieure à celle du substrat, mais augmentait de bas en haut. Bien que le fait d'éviter la fusion et la solidification réduise considérablement les défauts internes, des paramètres de procédé inadaptés peuvent tout de même entraîner l'apparition de défauts interfaciaux.

Des chercheurs de l'Institut de technologie de Pékin ont analysé le mécanisme de formation de la fabrication additive par agitation par friction pour l'aluminium 2024-O. Ils se sont intéressés aux différences directionnelles des propriétés mécaniques et à leurs causes, et ont réussi à réaliser un dépôt multicouche et multipasse sans défaut.

Tendances en matière de développement

La fabrication additive de l’aluminium présente un fort potentiel tant dans le domaine militaire que civil, car elle permet un formage de précision complexe et une conception allégée. Les axes de recherche principaux comprennent le développement de nouveaux procédés et l’étude approfondie des relations entre les procédés, la microstructure et les propriétés. La recherche doit permettre de comprendre la formation des contraintes et de maîtriser l’amplitude et la répartition des contraintes résiduelles, en particulier dans les composants complexes de grande taille. Elle doit également clarifier les mécanismes de transfert de masse, de solidification hors équilibre, de refroidissement, de métallurgie physique et de transformations de phase au sein des bains de fusion à l’échelle microscopique, afin de pouvoir contrôler la microstructure avec précision. Des expériences associées à des simulations numériques permettent de prédire les champs de température et de gérer les zones affectées par la chaleur. Des équipements hybrides combinant fabrication additive et usinage par fraisage peuvent améliorer la précision du formage et assurer une finition de haute précision. Les améliorations apportées aux procédés et aux équipements peuvent éliminer la porosité, augmenter la densité et améliorer les propriétés mécaniques globales, faisant ainsi progresser la technologie vers une plus grande précision, une meilleure efficacité et une fonctionnalité accrue.