Soyez vert : "revenir" à la ferraille

Que pensez-vous quand quelqu'un dit "scrap" ou "revert" ? Allez dans un dictionnaire et vous verrez des synonymes comme "inutile", "sans valeur" ou "inefficace". Ces associations sont profondes et changer ces perceptions est un défi. Mais, si l'industrie de la fabrication additive (FA) veut améliorer sa durabilité commerciale et environnementale, changer notre façon de penser à la ferraille - en réfutant en fait tout le concept - est quelque chose que nous devons adopter.

Une qualification indépendante est essentielle pour apaiser les inquiétudes des fabricants concernant les matériaux recyclés, retravaillés ou rajeunis. Grâce à des tests rigoureux selon les normes de production du monde réel, les anciennes associations peuvent être remises en question et la FA peut adopter en toute confiance une voie plus durable.

La fabrication a un impact intrinsèque sur l'environnement. Prendre une partie du monde naturel - qu'il s'agisse de pierre, de bois, de minéraux ou de métaux - et la transformer en quelque chose d'utile signifie extraire des ressources de base et dépenser de l'énergie et d'autres ressources pour les convertir.

Le simple fait d'obtenir les matériaux sous la bonne forme pour être travaillés est à l'origine de certains des impacts écologiques et économiques les plus importants. L'extraction, le traitement, le raffinage, le transport et les flux de déchets ultérieurs ont un impact bien plus important sur la durabilité que l'énergie utilisée dans le processus de fabrication physique.

Les métaux et alliages posent des défis spécifiques dans l'extraction et le traitement, nécessitant d'énormes quantités d'énergie et de ressources à travers de multiples étapes de traitement. On estime que l'industrie sidérurgique représente à elle seule environ 7 % des émissions de carbone dans le monde. D'une part, ce n'est peut-être pas surprenant, étant donné qu'en 2021, près de 2 milliards de tonnes métriques d'acier brut ont été produites dans le monde. Mais cela indique également les impacts démesurés que la réduction des émissions de carbone des chaînes de valeur des métaux et alliages pourrait avoir dans la course au zéro net.

Les procédés à lit de poudre sont de loin les technologies de FA métallique les plus couramment utilisées, utilisant des sources d'alimentation laser ou à faisceau d'électrons. Alors que la FA représente un très faible pourcentage des matériaux utilisés et des pièces créées dans le contexte de l'industrie manufacturière mondiale, le processus se développe rapidement.

L'écart entre les capacités de la fabrication additive et les exigences de fabrication se réduit à mesure que les technologies mûrissent, créant davantage de points de contact pour le développement d'applications.

L'accent est davantage mis sur la répétabilité, la qualité, la qualification et la certification des processus de FA. Une vision de plus en plus holistique de l'écosystème AM conduit également la technologie vers une véritable industrialisation.

De plus, les exigences en matière de fabrication évoluent d'une manière qui les rapproche des capacités de la fabrication additive. Des séries plus courtes, une fabrication juste à temps et des pièces de rechange à la demande introduisent la FA dans l'image et permettent aux pièces fabriquées de manière additive de remplacer la fabrication traditionnelle. Il est donc essentiel que la FA prête attention à sa durabilité maintenant, afin que l'impact soit aggravé par une plus grande adoption dans les années à venir.

Le choix des matériaux est un élément clé pour atteindre les objectifs de durabilité dans l'ensemble de la fabrication ; nulle part cela n'est plus évident que dans les poudres métalliques. Les technologies héritées de production de poudre telles que l'atomisation au gaz (GA) et l'atomisation au plasma (PA) sont considérablement inefficaces et préjudiciables à l'environnement.

GA, la technique la plus courante pour créer des poudres métal-AM, produit des particules de poudre dont la taille varie généralement de 1 à 250 microns. Mais les machines de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) ne peuvent traiter que des tailles de particules de poudre dans une fenêtre de 15 à 63 microns (les systèmes ou applications individuels rendent souvent cette fenêtre beaucoup plus étroite).

Le PA partage les mêmes faibles rendements que le GA et, en tant que tel, toute la poudre produite atomisée est largement inadaptée à la FA. Cela signifie que la partie utile supporte le poids environnemental et économique de la poudre hors-calibrage créée. Le matériau de taille incorrecte est souvent réintroduit dans le processus de fabrication de retour, utilisant plus d'énergie et ajoutant à l'empreinte carbone sans ajouter de valeur. Le titane est spécifiquement incinéré ou va dans une décharge, qui a ses propres défis environnementaux.

Un défi supplémentaire pour la poudre produite par atomisation est son besoin en matière première de lingot pour GA ou de fil pour PA. Ces processus peuvent soit utiliser des matériaux vierges, qui ont un impact environnemental inhérent associé à l'extraction, soit s'appuyer sur des lingots ou des fils produits à partir de matériaux non vierges qui ont créé plus de carbone et consommé de grandes quantités d'énergie avant même le début du processus d'atomisation. Pour le PA, en particulier, cela a non seulement un impact environnemental supplémentaire, mais limite considérablement les poudres métalliques exploitables qui peuvent être créées.

Le système UniMelt de 6K est un procédé plasma micro-ondes à l'échelle de la production qui produit des matériaux avancés utilisés dans la FA, la fabrication de matériaux pour batteries lithium-ion et d'autres marchés industriels. Des rendements extrêmement élevés, produits avec moins d'énergie, aident le système UniMelt à combler certaines des lacunes des technologies héritées. De plus, le système peut traiter une variété presque infinie de métaux et d'alliages, y compris des réfractaires difficiles à traiter, avec des chimies et des caractéristiques physiques hautement contrôlées. Il s'agit d'un cercle vertueux permettant à la FA de relever davantage de défis auxquels sont confrontés les fabricants et d'accélérer encore l'adoption.

L'impact commercial et environnemental le plus important du système est peut-être sa capacité à utiliser la « ferraille » comme matière première. Les poudres usagées, les structures de support usagées, les impressions ratées, les rebuts d'usinage, les pièces en fin de vie, etc. peuvent être utilisées comme matière première pour les poudres métalliques de qualité supérieure. Mais une économie circulaire des poudres métalliques peut-elle rivaliser avec la qualité du stock vierge ?

La meilleure façon de changer une opinion ou une association enracinée est de disposer de preuves vérifiées de manière indépendante. Alors, comment la poudre métallique durable se compare-t-elle aux matériaux issus des méthodes de production héritées dans un environnement de production réel ?

Morf3D est un leader de l'ingénierie, de la fabrication de pointe et de la FA métallurgique basé à El Segundo, en Californie, axé sur le secteur aérospatial. Dans le cadre de sa volonté de développement durable, la société a qualifié la poudre de Ni 718 produite de manière durable à partir de l'additif 6K dans un environnement de production de son centre d'excellence en métallurgie et travaille actuellement sur le Ni 625.

Morf3D a comparé la poudre produite de manière durable par 6K Additive avec les données de ses anciens matériaux produits par GA. Les pièces d'essai ont montré que le Ni 718 produit de manière durable par 6K Additive satisfaisait ou surpassait ceux construits avec de la poudre traditionnelle produite par GA. La tomodensitométrie pour examiner les caractéristiques physiques a révélé que la poudre de l'additif 6K présentait une consistance élevée au niveau des particules, avec une excellente sphéroïdicité et jusqu'à deux fois moins de porosité de la poudre que la poudre produite par GA. Des poudres homogènes produisent des pièces homogènes, avec moins de déchets en conséquence.

Pour les tests de propriétés mécaniques, des coupons de test ont été produits sur un EOS 400-4, avec une épaisseur de couche de 40 µm et les paramètres de production de Morf3D. Des échantillons tels qu'imprimés, usinés, non traités thermiquement et traités thermiquement ont été produits afin d'évaluer les pièces directement sorties de la machine, ainsi que celles plus représentatives des pièces de production. Les coupons traités thermiquement et usinés ont subi des tests de traction, produisant un ensemble de données cohérent sans résultats aberrants.

Les coupons de test ont dépassé les exigences minimales de Morf3D et dépassé les données matérielles héritées. Les tests de fatigue ont vu le Ni718 durable dépasser les normes attendues de l'industrie et surpasser une fois de plus les données héritées. Les pièces fabriquées avec de la poudre d'additif 6K présentaient une finition de surface systématiquement meilleure que les pièces fabriquées avec de la poudre traditionnelle.

Alors que la durabilité figure à juste titre au sommet de la conscience de chaque consommateur, de l'ordre du jour de chaque réunion du conseil d'administration et de chaque cycle d'actualités, il est essentiel que la FA s'attaque au sujet. De plus en plus, les impératifs environnementaux et commerciaux sont étroitement liés au point que la seule voie viable est désormais une voie durable. De plus, les économies circulaires offrent la possibilité de réduire la contribution des métaux aux coûts grâce à des programmes de recyclage qui facilitent le prochain lot de matériaux.

Nous garderons également pour un autre jour la valeur ajoutée de l'utilisation de la ferraille pour la sécurité de la chaîne d'approvisionnement face au paysage géopolitique. Alors reconsidérons ce qu'est la ferraille, ce qu'elle pourrait être et ce dont nous avons besoin qu'elle soit à l'avenir : pas la fin de la ligne, mais juste une autre étape dans une économie circulaire perpétuelle.

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