État de l'art : fabrication additive de cuivre
Dans cette section, nous faisons un état de l’art de la fabrication additive de cuivre.
Fabrication additive sur lit de poudre pour le cuivre
Le cuivre pur est un matériau particulièrement intéressant grâce à ses propriétés électriques et thermiques. Il est utilisé dans de nombreuses applications industrielles. Cependant, dans les procédés traditionnels de fabrication additive sur lit de poudre, un laser infrarouge est utilisé pour faire fondre la poudre de cuivre et fabriquer la pièce couche par couche. Hors, le cuivre absorbe très peu dans le domaine infrarouge. Pour surmonter ce problème, des chercheurs de l’Institut Fraunhofer en Allemagne ont utilisé un laser vert d’une longueur d’onde de 515 nm, tel que celui montré sur l’image ci-dessous.
Couche de poudre de cuivre exposée à un laser vert durant un procédé SLM d’impression 3D – Fraunhofer ILT
La fusion sur lit de poudre est la famille de procédés la plus commune pour la fabrication additive de métaux. Ces techniques utilisent un faisceau d’énergie pour faire fondre une poudre métallique couche par couche et ainsi fabriquer une pièce. Le rayon de haute densité d’énergie fait fondre le métal qui se solidifie durant le refroidissement, lorsque le rayon change d’emplacement. La technologie de fusion sur lit de poudre la plus répandue pour la fabrication additive de cuivre est la Fusion Sélective par laser (SLM en anglais).
Limitations de la téchnologie de fusion sélective de métal (SLM)
Bien que le procédé SLM est parfaitement adapté à la fabrication additive métallique pour de nombreux métaux, certaines propriétés du cuivre ont rendu ce procédé partiellement inadapté. Les propriétés d’absorption du cuivre sont telles qu’une infime quantité seulement de l’énergie provenant du rayon infrarouge est absorbée et sert à fondre la poudre, la majorité du rayon étant réfléchi. Cela pose des problèmes d’hétérogénéités de fusion et crée de grande porosité à l’intérieur de la pièce, résultant en des propriétés mécaniques médiocres.
Le second problème adressé par l’Institut Fraunhofer est lié à la fissuration des pièces de cuivre durant le refroidissement. En effet, lorsque le rayon chauffe la poudre puis se déplace, le métal refroidit et un gradient thermique important impose à la pièce des contraintes thermiques. Ces contraintes thermiques peuvent être relachées par la création et propagation de fissure au sein de la pièce.
Développement de solutions innovantes
Dans cette section, nous présentons les développements technologique ayant permis la fabrication additive de cuivre.
Technologie du laser vert
Pour résoudre ces problèmes et créer des pièces de grandes qualités, les chercheurs de l’Institut Fraunhofer ont proposé deux solutions qui sont maintenant largement utilisées dans les machines de fabrication additive industrielles telles que la TruPrint 1000 Green Edition de Trumpf. L’image ci-dessous présente le graphe d’absorption en fonction de la longueur d’onde du rayon incident, propriété de Trumpf.
Absorption d’un rayon incident par le cuivre – Trumpf
Le graphique montre que le rayon laser infrarouge traditionnellement utilisé dans le procédé SLM n’est que très peu absorbé. La poudre n’est que partiellement fondue, résultant en des propriétés médiocres. Le laser vert utilisé à une longueur d’onde de 515 nm. À cette longueur d’onde, le cuivre peut absorber jusqu’à 40% de l’énergie du rayon, résultant en des des couches plus homogène et des pièces finales de meilleures qualités.
Plateau de préchauffage
Afin de résoudre le problème des fissures lors du refroidissement, provoquées par un gradient de température, une solution consiste à réduire le gradient de température en préchauffant le plateau à une température donnée. Réduire le gradient de température permet de diminuer les contraintes thermiques dans la pièce. Le système de fabrication additive Trumpf TruPrint 5000 3D repose sur cette solution comme indiqué dans l’image ci-dessous.
Plateau de préchauffage Trumpf TruPrint 5000 – Trumpf
Le système TruPrint 5000 fut présenté au forum Formnext, un congrès international à Francfort, en Allemagne, en novembre 2018. Cette machine permet aussi d’utiliser d’autres poudres de métaux à hautes valeurs ajoutées tels que des aciers, des alliages de titane ou des alliages base nickel.
Application et avenir de l'impression 3D de cuivre
Le cuivre est un métal ductile qui possède une haute conductivité électrique et thermique (jusqu’à 400 W/(m.K)). Le cuivre est aussi bien utilisé pour des applications de la vie courante, dans des câblages électriques ou bobinage de moteurs électrique par exemple, mais aussi largement utilisé pour des applications à hautes valeurs ajoutées.
Comme détaillé dans cet article sur un caloduc pulsant de cuivre imprimé en 3D par Beamler pour Calyos, le cuivre a une multitude d’applications en thermique. Il peut aussi être utilisé pour la fabrication d’échangeur de chaleur. L’avantage de la fabrication additive étant de pouvoir produire des formes complexes et des formes intérieures creuses, cela permet une plus grande efficacité de l’échangeur par augmentation de la surface d’échange.
Cet article présente les technologies clés sur lesquelles la fabrication additive de cuivre repose. Avec les propriétés électrique et thermique intéressantes du cuivre, et les avantages de la fabrication additive, les pièces de cuivre imprimées en 3D sont maintenant parfaitement qualifiables pour un grand nombre d’applications.
Pour anticiper la demande de fabrication additive de cuivre, des partenaires de Beamler ont développé des alliages spécialement conçus pour la fabrication additive.
Allez plus loin et demandez votre devis gratuit dès maintenant !
Devis pour l'impression 3D de cuivre
Les informations contenues dans ces articles sont la propriété de Beamler et ne peuvent être copiées, modifiées ou adaptées sans consentement. Ces informations ne peuvent en aucun cas être considérées comme des conseils professionnels. Beamler ne présente aucune obligation de mise à jour des articles.
Le cuivre est un matériau très utilisé dans l’industrie grâce à ses bonnes propriétés électriques et thermiques. Des développements récents en fabrication additive ont rendu le cuivre parfaitement adapté pour la production de pièces complexes de qualités imprimées en 3D. Cet article présente ces avancées et leurs applications.