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L’impression 3D céramique : quelle technologie choisir pour quelles applications ?


Introduction

Les quatre principales technologies d’impression 3D céramique (binder jetting, stéréolithographie, inkjet et dépôt de fil) sont souvent perçues comme étant concurrentes. En réalité, elles sont complémentaires et répondent à des besoins différents.

Nous traiterons dans cet article des céramiques techniques. À l’inverse des céramiques artistiques, ces matériaux sont utilisés dans l’industrie pour des applications haute performance. Pour cette raison, les procédés de fabrication non adaptés à ce type de céramique, comme l’extrusion de pâte, ne seront pas abordés.

Avant de détailler chaque procédé, il est important de rappeler que toutes les technologies d’impression 3D céramique sont des procédés indirects. Cela signifie que l’imprimante 3D céramique est seulement l’outil utilisé pour mettre en forme la matière première.

Impression 3D céramique Nanoe Zetamix

Le processus d’impression 3D céramique Zetamix de Nanoe.

Après cette première étape d’impression, il faut procéder à un déliantage, c’est-à-dire enlever le liant nécessaire à la mise en forme de la pièce, puis à un frittage, qui est un post-traitement thermique permettant de densifier la céramique.

Binder jetting

Le procédé binder jetting consiste à lier des grains de poudre grâce à la pulvérisation d’un liant liquide. La poudre est présentée en fine couche, tandis que la tête d’impression de l’imprimante lie les grains utiles à la fabrication de l’objet.

Une fois liés, les grains se solidifient et créent la base de l’objet. Une nouvelle couche de poudre est déposée et le procédé peut recommencer jusqu’à la fabrication complète de l’objet. Ensuite, l’excès de poudre est retiré et la pièce est déliantée puis frittée.

Binder jetting céramique

Le procédé binder jetting est la seule technologie d’impression 3D céramique qui permette de produire des pièces de grande taille et d’avoir des rendements de production élevés. Cependant, même si la matière première est abordable, l’achat d’une machine est un investissement important.

Par ailleurs, le binder jetting ne permet pas d’imprimer de petits détails ou des pièces creuses. Ainsi, le plus grand inconvénient de cette technologie est l’état de surface très poreux après frittage (souvent entre 20 et 30% de porosité) dû à la taille des grains et à la faible densité du lit de poudre.

Le binder jetting n’en est pas moins un très bon choix pour produire tout type d’objet nécessitant une surface poreuse, tels que les noyaux en céramique, les creusets et autres réfractaires.

Stéréolithographie (SLA)

La technologie SLA consiste à diriger un faisceau UV (laser ou projecteur de lumière) vers un bain de résine photosensible. Composé de liant photosensible et de poudre céramique, la résine se durcit au contact de la lumière et forme la pièce.

Stéréolithographie céramique

Avantage non négligeable, la stéréolithographie permet d’imprimer un grand nombre de matériaux : alumine, zircone, ZTA/ATZ, nitrure de silicium, cordierite, céramique à matrice silice, HAP/TCP, ou encore AIN.

De plus, les imprimantes 3D SLA permettent d’imprimer des pièces à la fois très détaillées et très denses, grâce à la haute résolution des couches d’impression. Cette caractéristique en fait un excellent choix pour la fabrication de bijoux, de prothèses dentaires et pour toutes les applications de précision.

Cependant, cette technologie d’impression 3D céramique demande un investissement très important que toutes les entreprises ne peuvent pas se permettre. Le prix d’une imprimante 3D varie de 150 000 à 500 000 euros.

De plus, tout comme avec la technologie binder jetting, il est impossible d’imprimer des pièces creuses en SLA. La matière en excès ne pourrait pas être évacuée lors de l’étape de déliantage et de frittage (par exemple, une sphère censée être creuse serait remplie de résine à l’état liquide).

D’autre part, le procédé SLA est relativement complexe et chronophage, que ce soit pour la préparation de l’impression ou pour le nettoyage de la résine qui n’a pas été polymérisée par le faisceau laser.

Inkjet (jet d’encre)

Les imprimantes 3D inkjet sont dotées d’une tête d’impression équipée de centaines de buses qui impriment des nano gouttes de céramique. La matière est déposée sur une plateforme chauffante qui permet d’évaporer le liant.

Inkjet jet d'encre céramique

L’inkjet est sans aucun doute la technologie la plus précise de toutes, mais c’est aussi la plus onéreuse. De plus, le procédé d’impression est très lent et ne permet pas d’imprimer des pièces de grande taille ou de taille moyenne.

Ainsi, cette technologie est un bon choix pour imprimer des éléments électroniques ou des pièces demandant un niveau de détail extrême, comme des outils chirurgicaux équipés de très petites cavités internes, par exemple.

Dépôt de fil fondu (FFF)

Cette technologie possède l’originalité de permettre d’imprimer de la céramique ainsi que du métal en 3D avec une imprimante FFF/FDM classique. Habituellement en polymère, les filaments sont ici des matériaux composites polymère/céramique, hautement chargés en poudre céramique.

Zetamix Nanoe dépôt de fil fondu céramique

La technologie d’impression 3D céramique FFF est surtout représentée par la technologie Zetamix, une gamme de filaments métalliques et céramiques compatible avec n’importe quelle imprimante FFF/FDM. La marque, Nanoe, produit trois types de filaments Zetamix céramiques : zircone noire, zircone blanche et alumine, ainsi qu’un filament métal en acier inoxydable 316L.

En plus d’être la plus accessible, la technologie FFF est aussi la plus rapide, tout en bénéficiant de la densité des pièces imprimées en SLA ou par jet d’encre. Et, contrairement aux autres technologies, la technologie par dépôt de fil fondu ne demande ni d’importantes préparations avant impression, ni de nettoyage fastidieux.

Toutefois, la technologie FFF est moins précise que la stéréolithographie ou le jet d’encre, et ne permet pas d’imprimer des pièces aussi grandes que ce que permet le binder jetting.

Zetamix est ainsi une technologie pertinente pour de nombreuses applications nécessitant une précision moyenne, que ce soit pour de l’outillage interne ou la production de pièces haute performance.

Conclusion

Pour conclure, le choix de la technologie d’impression 3D céramique dépend grandement de l’application et des caractéristiques de l’objet à imprimer. C’est pour cette raison qu’il n’est pas rare de voir des entreprises industrielles investir dans deux ou trois technologies différentes afin de s’adapter au mieux aux différents cas d’usage.

Comparatif technologies d'impression 3D céramique

À propos de l'auteur

Suzanne Hernandez

Suzanne Hernandez est responsable marketing et communication chez Nanoe. Nanoe est une entreprise industrielle spécialisée dans le développement et la fabrication de matériaux céramiques innovants pour l’industrie. L’entreprise propose des matières premières à destination des technologies SLA mais s’est également spécialisée dans l’impression céramique FFF en développant la marque Zetamix, la première ligne de filaments céramique et métal du marché.