L’utilisation de poudres pour l’impression 3D

Les termes «Impression 3D», «Prototypage Rapide» et «Fabrication Additive» sont des appellations coïncidant avec le procédé de fabrication dans lequel la création de composants tridimensionnels est réalisée par l'application de matériaux couche par couche dans le sens contraire de la gravité.

La structure stratifiée s’effectue grâce à la génération de composants CAO 3D contrôlée par ordinateur, dans laquelle une poudre généralement fine est fondue à l’aide d’une source d’énergie, généralement un laser. Par la suite, de la poudre est à nouveau ajoutée, le laser recommence à fondre aux endroits spécifiés et lie la couche inférieure. Les matériaux utilisés peuvent être des métaux, des plastiques, des céramiques, des résines synthétiques, des matériaux en carbone et en graphite.

Des recherches en laboratoire de biologie cellulaire sont également menées sur la production de tissus ou d'organes à partir d'un processus de fabrication additive, dans lequel des systèmes de fixation complètement différents sont utilisés.

L’utilisation des poudres dans l’impression 3D

L’impression 3D est un aspect intéressant de l’industrie 4.0. En tant que technologie clé de la numérisation, et combinée avec d’autres procédés additifs, elle va révolutionner les méthodes de production. Le procédé peut être employé sous trois conditions réunies : une structure géométrique complexe, un petit nombre de pièces et un degré élevé de personnalisation. C’est le cas par exemple, lorsqu'il faut réparer des machines dont les pièces de rechange complexes ne sont plus disponibles. L'élément précédemment conçu en trois dimensions est transformé en élément physique par la conversion directe des données.

Contrairement aux procédés conventionnels de fabrication par enlèvement de copeaux, aucun montage, aucune pièce moulée et aucun outil spécifique au produit n'est nécessaire. En fonction des économies réalisées sur le volume des composants, plus particulièrement sur la suppression de l’enlèvement de matière, il est possible de réduire le procédé d'utilisation des ressources par enlèvement de matières (Source : VDI Centre pour l’efficacité des ressources). Le procédé génère les propriétés mécaniques et technologiques au cours du processus de fabrication. En outre, il est possible de créer des structures complexes impossibles à réaliser avec un processus de fabrication conventionnel. Ainsi, l'impression 3D devient plus économique à mesure que la complexité de la géométrie des composants augmente et que le nombre de pièces produites diminue.

L'impression 3D est utilisée dans de nombreuses branches de l'industrie. Au-delà des composants classiques de la construction mécanique, de l'ingénierie automobile, du modélisme et de l'architecture, la fabrication de prothèses médicales et dentaires est envisageable. Dans l’idéal, la méthode est également adaptée à la mise en œuvre rapide des résultats intermédiaires obtenus en bionique structurelle ; en particulier lorsque l’on essaie de transférer des structures de résistance des fibres végétales dans des structures porteuses modernes.

Le traitement des poudres dans le processus de fabrication

Dans un premier temps, un lit de poudre avec une densité de charge suffisante est saupoudré. Grâce à un apport énergétique précisément contrôlé, les ensembles de particules fusionnent dans les structures cibles. L’excès de poudre est enlevé et dans l’idéal préparé à être utilisé pour la suite de la construction stratifiée. Les particules doivent être suffisamment stables ; les tailles des particules, les densités de masse et les masses volumiques doivent être en grande partie préservées.

D'autre part, les étapes de travail doivent se succéder rapidement afin de garantir l'efficacité économique. Ces procédés sont majoritairement effectués avec des transporteurs pneumatiques par aspiration, ce qui nécessite des vitesses de transport relativement élevées et peut favoriser la génération d'abrasion. Les poudres de polymères utilisées doivent être parfaitement conditionnées.

Des problèmes de traitement similaires sont également rencontrés avec le micro-frittage laser 3D à partir de poudre métallique. L'application de la poudre dans le lit de poudre se fait au moyen d'une raclette. Ce processus est souvent coûteux en temps. La fluidité des poudres utilisées a une grande influence sur l'homogénéité du lit. Les poudres doivent s'écouler aussi librement que possible. Il faut donc privilégier des formes de particules sphériques et une distribution granulométrique étroite. Les agglomérats doivent être éliminés, faute de quoi des défauts plats ou linéaires se formeront dans la pièce de construction. L’adhérence à la raclette et à la plateforme de traitement sont dérangeantes mais il est difficile de les éviter.

La plupart des poudres métalliques utilisées ont une taille de particules inférieure à 10 µm et se comportent de manière cohésive.

En pratique, les poudres sont parfois conditionnées par un enrobage d'additifs nanoscopiques. Ces opérations s’effectuent dans des mélangeurs de précision ou avec le procédé de lit fluidisé. Cela permet d'éviter des accumulations ou agglomérations indésirables et d'améliorer la fluidité des poudres. - Les poudres sont faites de manière automatisée.

Le rôle du mélangeur dans le processus

Les mélangeurs, les séchoirs sous vide et les réacteurs de synthèse remplissent d’importantes fonctions dans la métallurgie des poudres et la fabrication des polymères.

L’enrobage nanoscopique de chaque particule peut se faire si l’agent d’enrobage est sous forme de solution ou de suspension faible et est mélangé de manière microfine dans la poudre. Cela ne requiert rien d'autre qu’une poudre uniformément humidifiée ; chaque particule doit être complètement mouillée. Si la phase liquide est ensuite séchée, un enrobage uniforme de chaque particule se produit. Le processus de séchage doit idéalement se dérouler par agitation sous vide, de manière particulièrement rapide et délicate.

Totalverströmung in einem MischerTotalverströmung im amixon® Konusmischtrockner/ Reaktor

Écoulement total du mélangeur-sécheur conique / Réacteur amixon®

Pour résoudre une telle étape du processus, il est recommandé d'utiliser un mélangeur-sécheur vertical au centre duquel tourne un outil de mélange en forme d'hélice. Cela crée un écoulement des mélanges en transportant les produits vers le haut à la périphérie et en les laissant s'écouler vers le bas au centre avec la gravité. Le processus d'écoulement se déroule - sans aucun espace mort - à une faible fréquence de rotation et avec une contrainte de cisaillement minimale pour les particules.

Toutes les particules sont en mouvement relatif permanent les unes par rapport aux autres et circulent dans toute la chambre de mélange. L'évaporation de la phase liquide est favorisée par le chauffage des poudres. Il n'y a pas que les surfaces de la chambre de mélange qui possèdent une double paroi. L'arbre du mécanisme de mélange, les bras de l'outil de mélange et l'hélice sont également conçus comme une double enveloppe et un fluide thermique (huile thermique, eau ou vapeur) circule à travers eux dans un circuit fermé.

La vidange complète du mélangeur

Une délimitation idéale des lots sans mélange croisé est d'une grande importance en termes de suivi précis des lots et d'assurance qualité. Cette exigence est notamment atteinte grâce à l’appareil décrit ici. La chambre de mélange conique et l'hélice convexe permettent au mélange de s'écouler sans ségrégation ni résidu.

Parfois, de très petites quantités d'additifs fluidifiants extrêmement légers tels que le dioxyde de silicium d'une densité de masse de 150 g/dm³, d'une taille de particules de 10 µm et d'une surface spécifique de 350 m²/g doivent être mélangées de manière homogène et délicate dans les poudres.

En pratique, il peut arriver que cette légère fraction flotte sur la poudre de manière indésirable. Le processus de mélange serait alors massivement entravé, d'autant plus que le mélange doit être rapide et extrêmement délicat. En effet, les additifs fluidifiants ne sont efficaces que s’ils sont mélangés doucement et de manière homogène, mais en aucun cas broyés. Dans ce cas, il est nécessaire de faire appel à des solutions testées sur le terrain, garanties sur la base des 37 ans d'expérience d’amixon®. Cela s'applique également, dans le cas où seulement 100 g de suie nanodispersée devraient être mélangés de manière homogène à 35 t d'une masse de poudre métallique.

Les enrobages céramiques

Des enrobages céramiques spéciaux sont prévus dans le mélangeur / mélangeur-sécheur si celui-ci doit maintenir les poudres exemptes de toute abrasion de métal pendant le mélange. Des approches similaires sont adoptées lorsque les poudres sont particulièrement abrasives et que l'usure prématurée des outils de mélange doit être compensée.

Pratiquement chaque machine de traitement que fabrique amixon® est un prototype personnalisé, parfois pour de minuscules nuances, mais qui s’avèrent décisives pour satisfaire les critères d'exigence de chaque client dans un large éventail d'industries. Cela permet également à l'utilisateur final de discuter de la situation de ses besoins à un niveau élevé avec le fabricant de l'équipement. Dans le plus strict secret, il s’agit d’un point essentiel qui peut l’aider à gagner de l’argent.

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amixon® Réacteur mélangeur-sécheur par aspiration AMT 2000