Introduction aux métaux pour impression 3D

Les procédés de fabrication additive métallique présentant des avantages considérables par rapport aux méthodes traditionnelles comme l’usinage CNC ou le moulage par injection, ceci représente une opportunité intéressante pour les industries du monde entier.

L’un de ces avantages est la réduction du gaspillage des matières premières, ce qui peut être crucial lorsqu’on utilise des métaux chers comme le cuivre ou les métaux précieux. En effet, l’impression 3D métal ne consomme que la quantité de matériau nécessaire à la création d’une pièce, ne générant qu’une quantité minimale de pertes dues aux structures de support.

En outre, comme l’impression 3D permet de réaliser des conceptions géométriques complexes, il est possible d’optimiser la topologie, la densité et le poids des pièces, ce qui permet d’économiser encore plus de matériaux d’impression 3D métal.

Jetons un coup d’œil à certains des matériaux d’impression 3D métalliques les plus couramment utilisés sur le marché.

Impression 3D métal par DMG MORI grâce à la technologie de Fusion sélective par laser. Source : 3dprintingmedia.network

Acier maraging

L’acier maraging peut être assez coûteux, principalement en raison de son taux élevé d’alliage (~0,03% de carbone, ~17 à 19% de nickel, et ~8 à 12% de cobalt) nécessaire pour fournir une combinaison de haute résistance à la traction et de haute ténacité à la rupture.

La qualité a souvent un prix, et bien qu’il soit plutôt onéreux, l’acier maraging est le matériau offrant l’un des meilleurs rapports résistance/poids du marché. L’acier maraging possède des propriétés mécaniques exceptionnelles et peut être aisément traité thermiquement pour obtenir une dureté et une durabilité accrues.

Cela rend le matériau idéal pour une large gamme d’applications d’outillage telles que la fabrication d’outils de moulage par injection, de noyaux et d’inserts, ainsi que de pièces d’ingénierie à usage très intensif, comme pour les applications automobiles et aérospatiales par exemple.

  • Alliages couramment utilisés : MS1, 18Ni1400, 18Ni1700, 18Ni1900, 18Ni2400, 17Ni1600 (moulage)
  • Format(s) de matériau : Poudre, filament
  • Technologie d’impression 3D : Frittage laser direct de métal (DMLS), Dépôt de fil fondu (FFF)
Structures de montres imprimées en 3D en acier maraging. Source : Rapidsol

Acier inoxydable

L’acier inoxydable est connu pour être une alternative moins coûteuse au titane ou au nickel, tout en présentant des caractéristiques très intéressantes.

En raison de sa dureté et de sa robustesse supérieures, de son excellente résistance à la corrosion, de sa bonne capacité de soudage et de sa ductilité importante, l’acier inoxydable est devenu populaire dans les secteurs de l’aérospatiale, du pétrole et du gaz, des services alimentaires et des soins de santé.

  • Alliages couramment utilisés : 17-4PH et 316L
  • Format(s) de matériau : Poudre, filament
  • Technologie d’impression 3D : Dépôt direct de métal (DMD), projection de liant, Frittage laser direct de métal (DMLS), et Dépôt de fil fondu (FFF)
Structure en lattice imprimée en acier inoxydable par SLM. Source : azom.com

Titane

Un excellent exemple de titane industriel imprimé en 3D est la collaboration entre SLM solutions et Bugatti. En 2018, un étrier de frein a été conçu spécifiquement pour la Bugatti Chiron en utilisant la technologie de fusion sélective par laser de l’imprimante 3D SLM 500. Le modèle original de l’étrier de frein a été optimisé avec une forme plus organique. L’impression de 45 heures a permis d’alléger la pièce de 40% et de la rendre capable de supporter jusqu’à 125 kg par millimètre carré.

  • Alliages couramment utilisés : Ti6Al4V ou Ti64
  • Format(s) de matériau : Poudre, filament
  • Technologie d’impression 3D : Dépôt d’énergie directe (DED), Fusion par faisceau d’électrons (EBM), et Fusion sélective par laser (SLM), Dépôt de fil fondu (FFF)
Étrier de frein en titane imprimé en 3D pour Bugatti par SLM solutions. Source : Bugatti

Aluminium

L’aluminium est un matériau de choix pour les industries automobile et aérospatiale. Il est principalement utilisé pour produire des pièces légères et géométriquement complexes qui répondent aux normes très strictes de ces industries.

L’aluminium présente une bonne résistance chimique, une grande résistance à la corrosion et, surtout, l’un des meilleurs rapports résistance/poids parmi tous les métaux. Sa facilité de post-traitement, sa capacité à supporter des températures élevées et sa conductivité thermique et électrique sont également des caractéristiques apportant des avantages très utiles pour les industries lourdes.

  • Alliages couramment utilisés : AlSi10Mg, AlSi12, AlSi12Mg alloys, Scalmalloy, ALSi7Mg, AlSi7Mg0, Al 6061 et Al 7075, AU4G1
  • Format(s) de matériau : Poudre, filament
  • Technologie d’impression 3D : Fusion laser sur lit de poudre (LPBF), fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons, projection de liant, et, plus rarement, Dépôt de fil fondu (FFF)
Ford et ExOne utilisent des procédés de jet de liant et de frittage pour l’impression 3D de l’aluminium. Source : ExOne

Cobalt-chrome (ou chrome-cobalt)

Bien qu’il soit parfois utilisé pour produire des composants de moteur, ce matériau est principalement utilisé dans des applications médicales telles que les implants chirurgicaux et dentaires.

En effet, il est entièrement biocompatible, possède une grande solidité, une résistance élevée à la corrosion ainsi qu’à la température, et ne possède pas de propriétés magnétiques, ce qui en fait un matériau parfait pour un usage médical.

  • Alliages couramment utilisés : CoCrMo
  • Format(s) de matériau : Poudre
  • Technologie d’impression 3D : Frittage laser direct de métal (DMLS)
Processus de fabrication additive pour l’industrie dentaire. Source: EOS

Alliages de nickel

Le nickel est un matériau incroyablement polyvalent capable de former des alliages avec de nombreux autres métaux. Idéal pour les applications d’impression 3D exigeantes, les alliages de nickel trouvent leur utilité dans un large éventail d’industries contraignantes telles que l’aérospatiale, le traitement chimique et la construction navale.

En raison de leur grande durabilité à des températures élevées et de leur résistance à la corrosion dans des environnements extrêmes, ils peuvent être utilisés, par exemple, dans les pales de turbines à gaz pour les moteurs à réaction, dans les centrales à turbine et dans les installations nucléaires hautement critiques.

En outre, les pièces en alliages de nickel présentent une très bonne résistance à la traction et à la rupture.

  • Alliages couramment utilisés : Inconel 625, Inconel 713, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Hastelloy X, Haynes 282, Amperprint alloy 625 et 718
  • Format(s) de matériau : Poudre, filament
  • Technologie d’impression 3D : Frittage laser direct de métal (DMLS), Fusion sélective par laser (SLM), Dépôt de fil fondu (FFF)
Le nitinol, un alliage de titane et de nickel utilisé en raison de ses capacités de mémoire de forme, est imprimé en 3D par un procédé de fusion sur lit de poudre. Source : CSIRO Research

Alliages à base de cuivre

L’impression 3D du cuivre avec les technologies traditionnelles d’impression 3D à base de poudre métallique, telles que le Frittage laser direct de métal (DMLS), est un défi de longue date en raison de la conductivité thermique élevée du cuivre.

Le procédé le plus courant pour l’impression 3D du cuivre est la fusion sur lit de poudre, plus précisément la Fusion sélective par laser (SLM). Mais de nouvelles méthodes de traitement, comme la fabrication par Dépôt de fil fondu (FFF) de Markforged Metal X, contribuent à accroître l’utilisation du cuivre pour la fabrication additive.

Grâce à leur excellente conductivité thermique et électrique, associée à de bonnes propriétés mécaniques et à une grande malléabilité, les alliages à base de cuivre sont idéaux pour l’outillage, les applications de gestion thermique et l’ingénierie électrique, comme par exemple la fabrication des inducteurs, des électrodes ou encore des échangeurs de chaleur.

  • Alliages couramment utilisés : CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu
  • Format(s) de matériau : Poudre, filament
  • Technologie d’impression 3D : Fusion sélective par laser (SLM), Frittage laser direct de métal (DMLS), Dépôt de fil fondu (FFF)
Impression 3D de cuivre à l’aide des services d’impression 3D de Beamler. Source : Beamler

Métaux précieux (or, argent, platine, …)

L’impression 3D de métaux précieux comme l’or ou l’argent est idéale pour des secteurs tels que la bijouterie, l’horlogerie, la dentisterie (couronnes, prothèses) et l’électronique, en raison de la grande liberté de design qu’elle offre.

Mais la fabrication directe de ces métaux précieux peut s’avérer difficile. En effet, la plupart des métaux précieux (l’or et l’argent par exemple) sont hautement réfléchissants et thermoconducteurs. Les imprimantes d’impression 3D traditionnelles à base de laser sont incapables de faire fondre complètement les matériaux et de produire une pièce homogène. Seuls quelques fabricants ont développé des imprimantes 3D suffisamment performantes pour transformer ces métaux précieux en utilisant le Frittage laser direct de métal (DMLS) ou la projection de matière.

Il est également important de noter que les poudres de métaux précieux peuvent être très coûteuses. C’est pourquoi la plupart des applications d’impression 3D de métaux précieux impliquent une fabrication indirecte, avec un modèle en cire qui sera utilisé pour réaliser un moulage à la cire perdue.

  • Métaux couramment utilisés : Or, argent, platine
  • Format(s) de matériau : Poudre
  • Technologie d’impression 3D : Frittage laser direct de métal (DMLS) et projection de matière
Boucles d’oreilles personnalisées imprimées en 3D à partir de poudre d’or. Source: 3Dprint.com

Métaux réfractaires

Les métaux réfractaires sont des matériaux extrêmement résistants dont le point de fusion est particulièrement élevé. Ce même point de fusion élevé, combiné à leur faible dilatation thermique, à leur grande solidité et à leur dureté, les rend particulièrement adaptés aux applications de haute technologie et à l’électronique de puissance. Ils se caractérisent également par une conductivité thermique et électrique importante, associée à une grande résistance à l’usure.

Alors que le tantale et le niobium sont principalement utilisés dans l’industrie médicale pour leur biocompatibilité, leur bonne stabilité à l’oxydation et leur stabilité chimique, le tungstène et le molybdène sont préférés pour des applications telles que l’aérospatiale, l’automobile et le nucléaire en raison de leur haute densité et de leurs capacités de filtrage des radiations.

En raison de la densité élevée de certains de ces matériaux (comme le tungstène), il est nécessaire d’utiliser des technologies d’impression 3D moins courantes, telles que la fusion par faisceau d’électrons (EBM) ou même le dépôt sélectif d’un agent liquide pour lier la poudre, au lieu des imprimantes traditionnelles à laser.

  • Métaux couramment utilisés : Tantale, Niobium, Molybdène, Rhénium, et Tungstène
  • Format(s) de matériau : Poudre
  • Technologie d’impression 3D : Fusion par faisceau d’électrons (EBM), Fusion par faisceau laser (LBM), projection de liant

Grâce à sa biocompatibilité supérieure, sa grande solidité et sa durabilité, sa résistance élevée à la corrosion et sa bonne densité, le titane est un matériau intéressant pour les applications en environnement difficiles liées aux secteurs de l’automobile, de l’aviation, de la médecine et du dentaire.

Impression 3D du tungstène à l’aide d’un procédé de Fusion par faisceau laser (LBM). Source : Institute of Rare Earths and Strategic Metals

Conclusion

Nous pouvons constater qu’au fil des années, les technologies et les procédés d’impression 3D métal se sont développés grâce aux efforts de nombreux fabricants dans le monde.

Ainsi, de nouveaux matériaux deviennent disponibles pour répondre aux besoins spécifiques de plus en plus d’industries. De l’automobile à l’aérospatiale en passant par la sûreté nucléaire et les industries médicales, la fabrication additive de métaux apporte des solutions innovantes là où la fabrication soustractive traditionnelle trouve ses limites.

Un autre défi à relever reste néanmoins la certification des pièces métalliques imprimées en 3D pour les industries hautement réglementées.