Guide des matériaux pour l'impression 3D : les métaux

Source : 3dnatives.com

L’impression 3D métal est l’une des technologies de fabrication additive connaissant la croissance la plus rapide au niveau industriel. En effet, selon un rapport publié par Grand View Research, le marché mondial de ce procédé a été évalué à 6,36 milliards de dollars en 2022. De plus, le secteur devrait enregistrer un taux de croissance annuel composé (CAGR) de 24,2 % d’ici 2030. Cette augmentation est due, en partie, à la grande variété de matériaux compatibles avec cette technologie. Qu’il s’agisse d’imprimantes 3D utilisant des systèmes de fusion sur lit de poudre, de DED, d’EBM ou même d’extrusion de métal, les possibilités offertes par ces matériaux sont pratiquement illimitées. Dans ce guide complet, nous présentons les métaux les plus couramment utilisés dans l’impression 3D et les caractéristiques de chacun.

Aluminium

Ce matériau offre un excellent compromis entre légèreté et solidité. En plus d’être résistant à la corrosion, il peut également être soudé. Comparé à l’acier, il est moins résistant et plus sensible aux hautes températures. Il est principalement utilisé dans des domaines où le poids est fondamental, comme pour les pièces mécaniques de voitures de course, l’aéronautique, le secteur aérospatial, les vélos, etc. Il est rarement présent à l’état pur et se trouve plus fréquemment sous forme d’alliage avec des métaux qui améliorent ses propriétés physiques et mécaniques, comme le silicium et le magnésium. Un exemple typique est l’aluminium AlSi10Mg, vendu en poudre par le fabricant allemand EOS. Cela permet de produire des pièces solides et complexes.

Alliages d’aluminium

Comme indiqué précédemment, les alliages d’aluminium sont plus fréquents que la forme pure et sont traditionnellement employés dans de nombreuses applications industrielles. De plus, ils possèdent un rapport résistance/poids élevé ; ils présentent en effet une bonne résistance aux contraintes et à la corrosion du métal.

Acier

Étant l’un des métaux les plus courants dans le secteur pour la production de pièces détachées, il n’est pas surprenant que l’acier ait été le premier métal utilisé dans l’impression 3D. Au sein de ce groupe, on trouve deux types : l’acier inoxydable et l’acier maraging pour outillage. L’acier inoxydable est largement utilisé dans la vie quotidienne, en ingénierie mécanique et en médecine. Il possède de bonnes propriétés métalliques et produit une surface polie et brillante. Plusieurs fabricants de l’industrie 3D proposent ce matériau, dont EOS, ProMetal et Desktop Metal. Parmi ses propriétés, on peut citer : la dureté, la résistance à la traction, la formabilité et la résistance aux chocs. Il est également possible d’imprimer des pièces en bronze ou en or en utilisant l’acier inoxydable comme matériau de base. Cela s’obtient, par exemple, en recouvrant les couches de poudre d’acier inoxydable avec de la colle pour injection de bronze lors de l’impression. D’autre part, EOS a développé l’acier maraging MS1, qui est utilisé dans la production d’outillages et de moules, grâce à sa force et sa résistance à la rupture.

Alliages de cuivre

Le cuivre est un autre métal utilisé dans la fabrication additive. Ses propriétés incluent une conductivité électrique et thermique élevée, une ductilité (déformation plastique sans rupture) et une malléabilité (déformation par compression). Le cuivre est disponible sous forme de filament et de poudre pour l’impression 3D. Ses caractéristiques rendent ce métal idéal pour les applications de gestion thermique et d’ingénierie électrique (inducteurs, électrodes, échangeurs de chaleur, etc.), ainsi que pour la construction d’outillages et d’équipements. Certains de ses alliages les plus courants sont : CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu.

Gallium

Le gallium est utilisé comme alliage, avec 25 % d’indium. Ce qui rend cet alliage spécial, c’est non seulement qu’il peut fondre à une basse température de 29,7 °C (85,46 °F), mais que les deux métaux se solidifient au contact de l’air tandis que l’intérieur reste liquide, facilitant ainsi l’impression. Le prix reste le principal obstacle à l’utilisation de ce matériau.

Titane

Le titane est le fer de lance des secteurs médical et aérospatial, grâce à son excellente combinaison de résistance et de poids, à sa biocompatibilité et à sa haute résistance à la corrosion. Tous les grades de titane présentent une extrême résistance à la corrosion, une ductilité et une soudabilité, bien que le grade un soit légèrement moins usinable que les grades deux, trois et quatre. Le grade quatre est le plus résistant. L’impression 3D facilite la production de pièces en titane et évite les impuretés obtenues avec les techniques traditionnelles lors de la phase de soudage. Cependant, un inconvénient majeur de ce matériau est son coût élevé, car il est environ 50 fois supérieur à celui de l’acier.

Alliages de titane

Comme dans le cas des alliages d’aluminium, les alliages de titane présentent de meilleures propriétés mécaniques et chimiques. L’alliage Ti6Al4V est le plus utilisé et occupe 56 % du marché total du titane, grâce à son bon équilibre entre résistance mécanique, ductilité, résistance à la fatigue et ténacité à la rupture. Ces métaux sont utilisés dans la fabrication additive pour produire une large gamme de composants industriels, notamment des tôles, des éléments de fixation, des anneaux, des disques et des contenants. Les alliages de titane sont également utilisés pour produire des pièces de moteurs automobiles haute performance, comme des boîtes de vitesses et des bielles.

Chrome-cobalt

Imprimés avec les technologies EBM et DMLS, les alliages de cobalt présentent une meilleure qualité que ceux obtenus via des méthodes de production traditionnelles comme la fonderie à cire perdue. Comme les alliages en titane, les alliages chrome-cobalt comme le CoCrMo sont largement utilisés en médecine pour la production de prothèses, tant en orthopédie qu’en dentisterie (grâce à leur rigidité, leur résistance à l’usure et l’absence de corrosion). De plus, le secteur automobile et celui de l’aérospatiale emploient certains alliages de cobalt-chrome-molybdène hautement thermorésistants. EOS propose les alliages Cobalt chrome MP1 et SP2 résistants à des températures élevées, jusqu’à 600 °C (1 112 °F). Arcam, quant à lui, commercialise l’ASTM F75, largement utilisé pour la production d’outillages et de moules.

Alliages à base de nickel

Le nickel est un matériau incroyablement polyvalent, disponible en poudre ou en filaments et capable d’être allié à d’autres métaux. Les superalliages nickel-chrome, tels que l’Inconel 718 et l’Inconel 625, permettent de produire des pièces métalliques solides et résistantes à la corrosion. Ces alliages sont utilisés principalement dans l’industrie aérospatiale, automobile et pétrochimique, où ils sont soumis à des contraintes et à des températures élevées. Les propriétés mécaniques des alliages à base de nickel en fabrication additive, comme l’Inconel 625, sont considérablement améliorées par l’utilisation de quantités significatives de nickel, de chrome et de molybdène dans le métal.

Métaux précieux

Nous avons vu précédemment qu’il est possible d’ajouter de la colle pour injecter du bronze et de l’or dans un objet en acier imprimé. Une autre façon d’imprimer avec ces métaux est la fusion de métal. Il s’agit d’un moule à cire perdue, fini à la main. Cette méthode est largement utilisée en bijouterie et dans la production de petits objets. L’un des problèmes et des limites de cette méthode de fusion est qu’elle doit prendre en compte les formes fines à éviter, en plus de garantir une épaisseur minimale de 0,8 mm à 1 mm pour assurer le respect des parois. La phase de finition est la clé pour obtenir un bon état de surface, en particulier pour les pièces en argent. Avec l’or, enfin, il est possible d’obtenir différentes nuances de couleur (rose, blanc et jaune).

Enfin, il est important de noter qu’il est aujourd’hui possible de modifier la structure atomique du métal pendant l’impression 3D. On obtient ainsi une solidification plus rapide et uniforme, ce qui peut mener à un métal plus rigide et résistant.