La FA métallique »entrée de gamme » : où en est-on ?

Pendant de nombreuses années, la fabrication additive métallique a existé sur un plan différent de l’impression 3D polymère. Alors que les imprimantes FDM/FFF sont devenues plus accessibles aux consommateurs dans les années 2010, l’impression 3D de métal est restée largement une technologie industrielle, avec des machines onéreuses dépassant parfois la barre du million de dollars.

La fabrication additive de pièces en métal reste coûteuse, mais le contexte évolue progressivement : des entreprises chimiques ont développé des filaments métalliques à bas prix, un certain nombre de fabricants proposent des imprimantes 3D à fusion sur lit de poudre abordables dont les prix sont bien inférieurs à ceux des machines de référence comme EOS, et des startups comme Desktop Metal proposent des solutions clé en main offrant des rapports qualité-prix attractifs. L’impression 3D métal est désormais beaucoup plus accessible qu’un processus comme le moulage par injection de métal, et même les systèmes à relativement bas prix sont capables de produire des prototypes, des outils et certaines pièces finales de haute qualité.

Dans cet article, nous allons passer en revue différents types de solutions d’imprimantes 3D métalliques entrée de gamme en tenant compte des coûts du matériel, des matériaux et du post-traitement.

Les technologies de FA métal abordables

Le metal FFF (extrusion de filament métal)

Convient pour : consommateurs, professionnels, industriels

L’impression 3D par extrusion est la technologie d’impression 3D la plus répandue et abordable. Jusqu’à récemment, la seule façon d’imprimer des pièces  » métalliques  » sur une imprimante 3D FDM était d’utiliser des filaments chargés en métal, comme le PLA chargé en cuivre. Cependant, ces filaments chargés sont destinés à être utilisés à des fins esthétiques et n’ont pas les propriétés physiques de véritables pièces métalliques.

En 2019, l’entreprise chimique BASF a lancé Ultrafuse 316L, un filament composite avec un liant polymère qui peut être retiré via un processus de déliantage catalytique, ce qui permet d’obtenir des pièces imprimées en 3D entièrement en acier inoxydable. Le matériau est compatible avec la plupart des imprimante FDM mais nécessite une température d’extrusion de 230 °C et une buse en acier trempé. Les pièces (généralement des prototypes) doivent être envoyées chez un prestatire externe pour les étapes de déliantage et frittage (à moins de disposer de l’équipement nécessaire, à savoir un four de déliantage et un four de frittage).

Plusieurs fabricants d’imprimantes 3D FFF ont lancé des produits permettant d’exploiter le potentiel de la technologie « metal FFF » avec les filaments métalliques de la gamme Ultrafuse. Voici quelques approches notables :

• Kit de mise à niveau d’une imprimante 3D existante : généralement un hotend renforcé compatible avec les filaments métalliques abrasifs. À titre d’exemple, BCN3D a lancé son pack Metal (1099€), une extension comprenant un « hotend » renforcé conçu pour imprimer des filaments métalliques et compatible avec sa gamme d’imprimantes 3D de bureau Epsilon.

• Imprimante 3D FFF métal : 3DGence a lancé la MP260 (à partir de 20 000 €) dans le cadre de sa série Element, une imprimante 3D compacte pour le métal conçue comme une alternative abordable pour les entreprises de production MIM.

• Système FFF métal complet : comprenant l’imprimante 3D métal FFF, plus les fours de déliantage et de frittage. Fin 2021, Raise3D a lancé MetalFuse, une solution packagée clé en main comprenant une imprimante 3D métal de bureau Forge1, le four de déliantage catalytique D200-E, le four de frittage S200-C et le slicer dédié ideaMaker Metal.

• Coût du matériel : $200+
• Coût des matériaux : 130 $/kg
• Coûts de post-traitement : 50 $/kg(externalisé)

Bound metal deposition (Dépôt de métal lié)

Convient pour : pro, industriel

Avant l’arrivée du filament Ultrafuse de BASF, l’impression 3D métallique rentable dans les environnements non industriels était dominée par deux sociétés, Markforged et Desktop Metal, qui utilisent toutes deux une variante de la technologie de dépôt de métal lié (techniquement, BMD est le terme protégé pour désigner la technologie de Desktop Metal).

D’un point de vue technique, le dépôt de métal lié appartient à la famille des technologies d’impression 3D par extrusion. Néanmoins, les machines de cette catégorie sont des systèmes de qualité industrielle vendus avec des équipements de post-traitement (déliantage/frittage) pour fournir une solution complète. Le four de frittage représente une part importante du coût total du matériel. Bien que le coût de la machine soit élevé, le dépôt de métal lié a des coûts supplémentaires plus faibles (main d’œuvre, mise à niveau des installations, post-traitement, etc.) que les technologies d’AM métallique industriel comme le PBF, ce qui le rend plus abordable pour les entreprises de taille moyenne.

Les systèmes de dépôt de métal lié utilisent généralement des matériaux propriétaires qui coûtent un peu plus cher que le filament métallique décrit ci-dessus.

• Coûts du matériel : $100,000+
• Coût des matériaux : 150 $/kg+
• Coûts de post-traitement : Variables, modérés

Fusion sur lit de poudre d’entrée de gamme

Convient pour : industriel

Bien qu’il y ait moins de fabricants d’imprimantes 3D métal que de fabricants d’imprimantes 3D polymère, leur nombre augmente rapidement, ce qui entraîne une concurrence accrue et une baisse des prix dans des catégories technologiques phares comme la fusion sur lit de poudre ou « powder-bed fusion » (PBF).

Les leaders du PBF comme EOS et SLM Solutions sont aujourd’hui rejoints par des fabricants de matériel offrant des solutions d’AM métal d’entrée de gamme à prix cassés comme Xact Metal, One Click Metal et 3DLAM. Le système PBF le moins cher de One Click Metal, le MPRINT+, coûte 110 000 dollars, tandis que la machine la moins chère de Xact Metal, le XM200G, coûte 90 000 dollars. Les deux systèmes ont un volume de construction de 150 x 150 x 150 mm. La plus grande machine disponible chez Xact Metal, la XM300G (300 x 300 x 350 mm), coûte 200 000 $.

Cela dit, le post-traitement des pièces produites par les technologies PBF reste relativement onéreux : le retrait des pièces nécessite souvent une scie à ruban, tandis que des étapes de post-traitement comme le traitement thermique, la détente et le post-usinage peuvent être nécessaires pour obtenir une finition de type MIM.

• Coûts du matériel : $90,000+
• Coût des matériaux : 50 $/kg+
• Coûts de post-traitement : Variables, élevés

SLS métal

Adapté à : industriel

L’entreprise allemande Headmade Materials est à l’avant-garde de la catégorie de niche technologique du SLS métal. Elle propose à la fois du matériel et un service externalisé d’impression 3D métal utilisant une technologie appelée Cold Metal Fusion. Les prix ne sont pas encore publiés, mais Headmade affirme offrir les « coûts d’investissement les plus bas » de tous les procédés d’impression 3D en métal

AM métal : investir ou externaliser ?

La partie la plus coûteuse de l’AM métal est le matériel, les imprimantes 3D métal dédiées coûtant généralement entre 100 000 et 1 000 000 d’euros.

L’achat d’une imprimante 3D métal entraîne des coûts supplémentaires, tels que les frais d’installation, la mise à niveau des installations (notamment les équipements de sécurité incendie) et les équipements de post-traitement. En outre, le système peut nécessiter un opérateur salarié dédié ou des cours de formation pour le personnel existant. Consultez notre guide du coût total de possession de l’impression 3D métal pour plus d’informations.

En raison de ces coûts, les utilisateurs doivent se demander s’il est plus judicieux de fabriquer ou d’acheter (le fameux dilemme du « make or buy »). Certains peuvent trouver que l’externalisation (payer un prestataire de services pour fabriquer des pièces métalliques au lieu d’acheter du matériel) est une option plus rentable que la fabrication de pièces en interne, en particulier pour les petites quantités. Pour l’impression par fusion sur lit de poudre d’un modèle standard de Benchy mesurant 60 x 31 x 48 mm, le bureau de services Materialise propose un prix compris entre 200 dollars (aluminium standard) et 500 dollars (titane haute performance) par pièce, post-traitement compris.

Les entreprises qui cherchent une voie vers l’impression 3D métal abordable doivent calculer le retour sur investissement (ROI ) d’une imprimante 3D métal pour déterminer s’il est judicieux d’investir dans une telle solution. Pour savoir approximativement combien de mois il faudra à l’imprimante pour s’amortir, une approche simple est de diviser les coûts d’investissement initiaux (y compris la machine, les mises à niveau et tout autre équipement) par les économies mensuelles prévues, c’est-à-dire la différence de coût entre la production interne (y compris les ressources humaines, les consommables, les coûts énergétiques, etc.) et la production externalisée (coûts des pièces, frais d’expédition, etc.).

Conclusion

Au sens le plus simple, les deux voies les plus abordables pour l’impression 3D métal sont actuellement l’extrusion de filament métal (metal FFF) et la production externalisée. Il est également possible d’obtenir certaines propriétés similaires à celles du métal en utilisant des polymères haute-performance ou des matériaux composites.

Cela dit, les acheteurs doivent garder à l’esprit que la FA métal peut à long terme générer des profits à long terme. L’investissement dans un système PBF peut s’avérer tout à fait rentable dans certains cas, malgré son coût initial élevé.