Alors que la demande de véhicules électriques augmente, la demande de matériaux résistants et légers tels que l’aluminium augmente également. Dans le même temps, les fabricants souhaitent bénéficier des avantages de l’impression 3D, notamment des géométries complexes, des canaux de refroidissement conformes et de la liberté par rapport à l’outillage. Cependant, l’aluminium, en particulier les alliages tels que le 6061, peut être difficile à imprimer à l’aide des procédés de lit de poudre. Selon Ali Forsyth, co-fondatrice et PDG de la startup de fabrication additive d’aluminium Alloy Enterprises, cela est dû au fait que ces procédés n’ont pas été créés en tenant compte de l’aluminium. “En constatant que le moule permanent et la coulée sous pression étaient encore les méthodes principales pour obtenir ces volumes de composants, il nous est apparu que l’aluminium méritait vraiment son propre processus unique”, explique-t-elle. La société a développé son processus de liaison par diffusion sélective spécialement pour l’aluminium, en envisageant une production à grande échelle.
Impression 3D de l’aluminium
Forsyth a fondé Alloy Enterprises au début de l’année 2020. Après avoir obtenu un doctorat en ingénierie de Harvard, elle a travaillé dans six start-ups spécialisées dans le matériel informatique, dont Desktop Metal, où elle a rencontré le directeur technique d’Alloy, Nick Mykulowycz, qui a développé cinq processus de fabrication additive de métaux. Le troisième co-fondateur de la société, Andie Bedell, directeur des opérations, apporte une expérience commerciale et opérationnelle acquise auprès de sociétés du Fortune 500 et de start-ups.
Forsyth affirme avoir apprécié l’aluminium pendant son séjour chez Open Water Power, une start-up qui a développé une batterie d’eau de mer en aluminium pour les véhicules sous-marins sans pilote (UUV). “C’est un matériau infiniment recyclable, ce qui est tout simplement incroyable”, note-t-elle. Combiné à un rapport résistance-poids deux fois supérieur à celui de l’acier, il est facile de comprendre pourquoi l’aluminium est si utile dans les applications automobiles, en particulier alors que les constructeurs automobiles cherchent à réduire le poids des véhicules électriques. En même temps, la technologie de fabrication additive en général commence à se généraliser. “L’impression 3D est vraiment sur le point d’atteindre un rendement en production”, explique Forsyth. “Nous avons la possibilité de tirer parti des progrès technologiques incroyables qui ont été réalisés jusqu’à présent. Mais nous devions encore faire un bond en avant pour réduire les coûts afin de pénétrer les marchés à plus forte production.” Plus précisément, l’équipe voulait abandonner l’utilisation de la poudre d’aluminium pour aider à augmenter la production, réduire les coûts et améliorer la sécurité et la facilité d’utilisation. Cela contribuera à permettre une adoption plus large de la fabrication additive dans les secteurs de l’automobile et de l’équipement industriel, et à remplacer les processus traditionnels tels que la coulée. “Nous avons constaté cette lacune dans les volumes de pièces où aucun processus de fabrication, qu’il soit additif ou conventionnel, ne répond aux besoins du marché”, souligne-t-elle.
Diffusion sélective par liaison
La diffusion sélective par liaison est un processus à base de feuilles qui utilise une matière première en aluminium développée par la société. “Le matériau est nécessaire pour que le processus de liaison fonctionne”, explique Forsyth. Mais l’élément clé est que la société n’a pas inventé une nouvelle méthode de fabrication pour produire le matériau. “Nous nous appuyons sur le processus de laminage de l’aluminium”, dit-elle, “qui produit les feuilles d’aluminium de votre cuisine et les canettes de soda.”
Jusqu’à présent, la société a produit 14 tonnes de matériau, et elle affirme que le coût est 1/25 celui de la poudre d’aluminium. “Ne pas avoir à repenser comment obtenir un rendement élevé et un faible coût de la matière première était vraiment essentiel”, souligne-t-elle. Cela sera également essentiel lorsque la société augmentera la production. “Pour être vraiment compétitif avec des volumes plus importants, il est difficile de partir de la poudre comme point de départ.”
Il y a des avantages à ne pas utiliser de poudre en dehors du coût. Cela élimine des étapes telles que la cuisson, le tamisage et le dépoudrage. De plus, l’aluminium laminé n’a pas les dangers inhérents à la poudre métallique. Le processus ne nécessite pas d’équipement de protection tel que des masques respiratoires ou un stockage spécial, et il n’y a aucun risque d’explosion du matériau.
La liaison par diffusion sélective implique deux machines. La première, appelée Construct, distribue des feuilles de matériau et découpe le contour des pièces à l’aide d’un laser. “Il y a un avantage de vitesse car nous n’avons pas besoin de parcourir voxel par voxel toute la surface”, explique Forsyth. “Nous délimitons simplement le périmètre.” La machine applique ensuite un agent inhibiteur sur certaines zones du matériau, ce qui empêche les couches de matériau de se lier pour créer des supports, des porte-à-faux et d’autres géométries complexes.
La machine Construct dispose d’une inspection en cours de processus qui analyse chaque couche. “Tous ceux qui travaillent dans la fabrication additive ont connu ce moment où ils arrivent le matin et où la construction vient d’échouer”, explique Forsyth. “Ou pire encore, il y a un défaut à l’intérieur de votre pièce et vous ne pouvez le détecter qu’avec des tests non destructifs.” L’inspection a réduit le taux d’échec des constructions de l’entreprise, ce qui lui a permis de progresser rapidement dans le développement et le perfectionnement de ses processus.
La machine empile automatiquement les feuilles. Une fois terminé, un opérateur déplace le chariot vers la machine de liaison. Dans cette machine, les pièces subissent un processus de liaison par diffusion pour fusionner les feuilles de matériau ensemble, sauf dans les zones où l’agent inhibiteur est appliqué. Pendant la liaison par diffusion, les piles de feuilles deviennent un bloc de matériau avec des pièces emboîtées à la fois horizontalement et verticalement à l’intérieur. Le matériau de support peut ensuite se détacher pour exposer les pièces.
Les pièces obtenues sont en aluminium homogène 6061, avec une résistance et une allongation à la rupture supérieures à celles des matériaux de coulée, selon Forsyth. Les supports détachés sont fabriqués dans le même matériau 6061. “C’est une composition connue et suffisamment grande et propre pour avoir une valeur de récupération”, note Forsyth. “Elle retournera donc à l’usine et sera réutilisée.”
Les pièces passent ensuite par un traitement thermique standard. Des caractéristiques de tolérance serrée peuvent également être usinées si nécessaire, de manière similaire aux pièces moulées traditionnelles, bien que Forsyth s’attende à ce que le besoin de post-traitement soit minime. Elle affirme que l’entreprise a reçu de bons retours de la part des clients sur la finition de surface des pièces imprimées.
Forsyth affirme qu’il y a moins de considérations à prendre en compte lors de la conception pour la liaison par diffusion sélective par rapport à d’autres méthodes de fabrication. Tant que la pièce est moulable et dans le volume de fabrication de la machine, Alloy Enterprises peut la produire, en incluant des géométries complexes et des canaux de refroidissement conformes que la coulée ne peut pas réaliser.
Passer à la prochaine étape
Actuellement, Alloy Enterprises exploite des systèmes pilotes entièrement fonctionnels dans ses laboratoires. Elle produit des pièces pour des clients, qui les évaluent, les qualifient et fournissent des commentaires à l’entreprise. “Nous travaillons vraiment en étroite collaboration avec nos clients dès le départ pour nous assurer que nous fabriquons de vraies pièces pour de vraies applications”, explique Forsyth. L’entreprise travaille également sur sa prochaine itération de machines, qu’elle prévoit de développer à grande échelle. “Les systèmes que nous concevons actuellement, une machine sera capable de produire plus de sept tonnes de pièces par an”, déclare Forsyth. Elle a également augmenté la production de son matériau propriétaire. “Nous avons déjà établi la chaîne d’approvisionnement pour cela, et cela peut être fait en toute sécurité et économiquement”, ajoute-t-elle. À partir de là, l’entreprise prévoit de servir de fournisseur de pièces, en fabriquant des pièces dans ses installations, qu’elle appelle un fabriquant numérique d’aluminium.
Pour sa stratégie de matériaux, l’entreprise se concentre sur le 6061. “Nous restons concentrés sur celui-ci pour le moment”, déclare Forsyth. Mais elle n’exclut pas d’ajouter d’autres matériaux à l’avenir, ainsi que d’autres moyens possibles d’élargir la technologie. “Il y a beaucoup de potentiel, et nous en sommes seulement au début de ce qui est possible avec cette technologie.”
