Tout savoir sur l’impression 3D d’aluminium

L’aluminium est l’un des métaux les plus utilisés dans la production industrielle et, plus particulièrement, en impression 3D. C’est un alliage métallique solide et léger qui offre une combinaison idéale de propriétés mécaniques et thermiques. Les développeurs de matériaux, en particulier pour la fabrication additive, proposent une large gamme d’alliages d’aluminium pour l’impression 3D métal. Ces matériaux sont véritablement polyvalents et offrent une multitude d’avantages en fonction des propriétés requises pour chaque application. Pour mieux comprendre les propriétés de ce métal et les avantages qu’il apporte aux pièces imprimées en 3D, lisez ce guide complet.

Caractéristiques de l’aluminium

L’aluminium (Al), dont le numéro atomique est 13, est un élément chimique largement répandu dans la croûte terrestre. C’est un métal non ferromagnétique, c’est-à-dire qu’il ne peut pas être magnétisé par un champ magnétique. De nombreux alliages d’aluminium disponibles pour la fabrication additive sont constitués d’une combinaison d’éléments métalliques et métalloïdes, dont l’aluminium, le silicium, le magnésium ou le cuivre. Les alliages d’aluminium les plus populaires sont les suivants :

• AlSi7Mg – Aluminium avec silicium (7%) et alliages de magnésium.
• AlSi10Mg – Aluminium avec silicium (10%) et alliages de magnésium.
• AlSi12 – Aluminium avec alliage de silicium (12 %).
• AlSi9Cu3 – Aluminium avec alliages de silicium (9%) et cuivre (3%).

Crédits photo : GE

La matière première à partir de laquelle l’aluminium est extrait est le minerai appelé bauxite. Pour obtenir de l’aluminium, la bauxite est d’abord transformée en alumine par le procédé dit de Bayer, puis l’aluminium est extrait par un procédé appelé électrolyse. En plus d’être un métal léger avec un point de fusion bas, l’aluminium est un très bon conducteur électrique et thermique. L’utilisation industrielle de l’aluminium en a fait l’un des matériaux les plus importants, tant en termes de quantité que de variété d’utilisations. Voyons maintenant comment ce métal est utilisé dans le domaine de la fabrication additive.

L’impression 3D d’aluminium

Lorsqu’il s’agit de créer des pièces en 3D à partir d’aluminium, il existe différentes méthodes. L’une des technologies les plus répandues pour la fabrication additive métallique est la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) : un laser fusionne point par point les couches de métal étalées sur le plateau sous la forme d’un lit de poudre. Dans cette même famille, on trouve également la technologie EBM (Electron Beam Melting), à la différence que la source d’énergie est un faisceau d’électrons au lieu d’un laser. Outre ces deux technologies, on a également d’autres méthodes de fabrication métallique capables d’imprimer de l’aluminium, telles que le liage de poudre, la fusion métallique à froid ou le wire arc additive manufacturing (WAAM). Enfin, on trouve, quoique dans une moindre mesure, l’utilisation de l’aluminium avec la technologie FDM. Bien que cette méthode fonctionne principalement avec des filaments plastiques, certaines entreprises ont développé des solutions compatibles avec cette technologie pour créer des pièces plus résistantes.

Les pièces imprimées en 3D en aluminium présentent un certain nombre d’avantages et d’inconvénients par rapport à d’autres métaux. Parmi les avantages, l’aluminium est un matériau performant qui offre des propriétés mécaniques et chimiques intéressantes. En plus de permettre la fabrication de structures géométriques complexes, il a un rapport poids/résistance élevé et résiste aux intempéries. En revanche, les pièces imprimées en 3D sont moins rigides que l’acier de construction. De plus, contrairement au titane, l’aluminium n’est pas un métal biocompatible, il n’est donc pas le choix idéal pour une utilisation dans le secteur médical, comme nous le verrons plus loin.

L’aluminium est l’un des métaux présentant le meilleur rapport résistance/poids

Après l’impression 3D, la grande majorité des pièces en aluminium nécessitent certaines étapes de post-traitement. Cela est principalement dû au fait que de nombreuses technologies compatibles avec ce métal font partie de la famille des lits de poudre. Ainsi, l’un des premiers processus à effectuer sera l’élimination de l’excès de poudre et des supports de fabrication, le cas échéant. En outre, les pièces sortent généralement de la machine avec une rugosité de surface notable, qui est généralement plus élevée qu’avec d’autres matériaux en poudre. Pour obtenir un résultat optimal et lisse, il convient d’utiliser des techniques de post-traitement telles que le polissage, le tambourinage ou le grenaillage pour la finition de la surface. Des traitements thermiques peuvent également être appliqués pour renforcer les propriétés des pièces finales.

Les principales applications de l’impression 3D d’aluminium

Quel que soit le procédé utilisé, les pièces imprimées en 3D à partir d’alliages d’aluminium présentent des propriétés intéressantes pour une multitude d’industries. Outre leur bonne résistance chimique et leur légèreté, ils présentent l’un des meilleurs rapports résistance/poids parmi tous les métaux. Les applications les plus courantes de ce métal comprennent la fabrication de petites séries ou de prototypes. D’autres sont liées à l’allègement des structures ou au transfert de chaleur, comme dans le cas des échangeurs de chaleur personnalisés. Associé au silicium et au magnésium, il est le choix privilégié de nombreux acteurs de l’industrie aérospatiale et automobile, où les exigences sont très élevées.

Dans le secteur automobile, Porsche a imprimé en 3D des pistons en aluminium pour son modèle phare, la GT2 RS. L’utilisation de la fabrication additive métallique a permis à l’entreprise de gagner jusqu’à 30 ch de puissance sur le moteur biturbo de 700 ch, tout en améliorant l’efficacité et les performances du véhicule. Mercedes-Benz, quant à elle, imprime en 3D des pièces de rechange en aluminium pour sa gamme de camions et de voitures afin de garantir une plus grande sécurité routière.

Les pistons imprimés en 3D en aluminium (crédits photo : Porsche)

L’industrie aérospatiale n’est pas en reste pour ce qui est de la mise en œuvre de l’impression 3D d’aluminium dans ses activités. Airbus, par exemple, a fabriqué des pièces en alliages d’aluminium pour son A350 XWB et d’autres avions, ainsi que pour ses satellites de communication. Boeing a également eu recours à la fabrication additive métallique pour créer des pièces en aluminium pour ses avions, ses satellites et ses hélicoptères. Cette technologie de pointe permet d’alléger les structures et de voyager plus loin avec moins de carburant.

Les fabricants du marché

Comme mentionné, le matériau se trouve principalement sous forme de poudre, mais aussi sous forme de fil pour certaines technologies. Il n’y a actuellement que deux entreprises qui développent l’aluminium sous forme de filament pour l’impression 3D FDM, à savoir The Virtual Foundry (Aluminum 6061 Filamet™) et Nanoe avec sa marque Zetamix (à base d’alumine, c’est-à-dire d’oxyde d’aluminium).

L’utilisation de ce matériau en poudre est beaucoup plus répandue. Aujourd’hui, de nombreuses entreprises sont impliquées dans le développement de la poudre d’aluminium, comme Elementum 3D, APWorks, Uniformity Labs, ECKA Granules, Equispheres et Constellium, entre autres. Il convient également de noter que certains fabricants d’imprimantes 3D, tels qu’EOS, développent également leurs propres matériaux en poudre.

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*Crédits photo de couverture : 3dsla.ru