L’impression 3D céramique : une révolution pour la fabrication additive ?

L’utilisation de la céramique remonte à la Grèce antique, créée à l’origine pour le développement de pots ou d’assiettes à usage alimentaire, généralement à base d’argile cuite à des températures allant jusqu’à 500º. Vers la fin du XIXe siècle, les attributs de ces matériaux ont été découverts dans l’industrie : ils offrent notamment une isolation thermique et électrique des moteurs intéressante. En raison de sa longue histoire, l’impression 3D céramique était assez attendue sur le marché, car les matériaux céramiques possèdent des propriétés mécaniques et des géométries haute résolution qui n’auraient pas pu être exploitées avec les techniques traditionnelles.

Il y a quelques mois, Smartech Publishing présentait son dernier rapport sur l’évolution de l’impression 3D céramique : en 2028, cette industrie devrait générer jusqu’à 3,6 milliards de dollars dans le monde. Bien qu’elle ne soit pas aussi bien établie que les technologies de fabrication additive plastique ou métal, elle a un bel avenir devant elle. Selon le rapport, l’impression céramique 3D atteindra sa maturité en 2025 et deviendra une technique de fabrication établie dans différents secteurs.

L’évolution d’une nouvelle technologie céramique

Historiquement, l’argile est le matériau le plus utilisé lorsque l’on parle de fabrication avec des matériaux céramiques, notamment parce que c’est un matériau naturel, facile à trouver dans presque tous les environnements. À mesure que les matériaux ont évolué, de nouvelles possibilités de fabrication sont apparues. Actuellement, il existe différents types de céramiques : les plus courants sont ceux que nous utilisons dans notre environnement quotidien comme la vaisselle, les carreaux, etc. D’autre part, nous avons des céramiques structurelles, utilisées dans la construction comme dans les tuiles ou les briques; la céramique réfractaire utilisée dans les revêtements; et enfin la céramique technique qui regroupe des matériaux à haute résistance mécanique, thermique, chimique et électrique. Ce dernier type n’inclut pas l’argile et est particulièrement apprécié dans des industries telles que l’automobile ou l’aérospatial.

Qui dit différents matériaux, dit différentes méthodes d’impression. Les technologies les plus utilisées sont les procédés de polymérisation comme SLA et le DLP, mais aussi le liage de poudre ou le LDM (Liquid Deposition Modeling). Plus récemment, le procédé NanoParticle Jetting de XJet a fait son entrée sur le marché de l’impression 3D céramique.

Liage de poudre et céramique

Au début des années 90, le MIT invente la technologie de liage de poudre qui sera ensuite reprise par Z Corporation, lui-même racheté par 3D Systems en 2012. La technique consiste à solidifier de la poudre à l’aide d’un liant – un des avantages de cette technologie est sa capacité à produire des pièces en couleur sans supports d’impression. La poudre peut être de la céramique, qui couche par couche, vient former la pièce désirée.

Stéréolithographie et photopolymérisation de matériaux céramiques

La stéréolithographie est une autre technologie très prisée dans le secteur de la fabrication additive ; elle a commencé à s’intéresser aux céramiques assez tard mais est aujourd’hui assez utilisée, offrant un haut niveau de précision et de détails. La société française 3Dceram est sans doute l’un des pionniers de l’impression 3D céramique pour photopolymérisation.

Richard Gaignon, le PDG de 3Dceram, nous a expliqué : “C’est en 2005 que Christophe Chaput a décidé d’étudier la possibilité de combiner céramique et fabrication additive. Il a commencé à imprimer des pièces biomédicales, des implants crâniens … En 2009, nous avons acheté la société Cerampilot. Nous avons décidé de changer le nom en 3DCeram et de modifier son modèle commercial, c’est-à-dire fabriquer des pièces uniquement par impression 3D.” À partir de 2014, la société française intègre la technologie DLP en incorporant un laser UV à ses machines. Il dispose actuellement d’une large gamme d’imprimantes 3D telles que la C900, une machine hybride capable d’imprimer simultanément plusieurs supports, dédiée à l’électronique et au secteur de l’énergie. Cette année, le fabricant devrait lancer la C100 et la C3600, spécialisée dans la céramique technique.

Les machines de 3DCeram

En plus des développements de la société française, il existe des acteurs tels que le géant 3D Systems, qui propose des résines céramiques parmi sa gamme de matériaux, comme c’est aussi le cas pour les imprimantes 3D de bureau SLA, Formlabs. La société néerlandaise ADMATEC était spécialisée dans la céramique technique et la fabrication avec la technologie DLP.

Dépôt de matériau ou Liquid Deposition Modeling

La technique de dépôt de matière ou aussi appelée LDM (Liquid Deposition Modeling) est la technique qui s’est le plus répandue parmi les différents acteurs. Elle consiste à déposer des couches de matériau céramique pour former la pièce ou le modèle, en suivant les bases de la technique FDM mais avec des extrudeurs adaptés au matériau. Cette technique est également la moins coûteuse puisque ce sont l’argile et les polymères qui viennent alimenter l’imprimante 3D.

La technologie développée par WASP

Cette technique a inspiré de nombreux fabricants qui ont principalement développé des machines de bureau comme la ClayXYZ ou la LUTUM V4 pour tous les artistes. L’un des acteurs les plus reconnus sur ce créneau est sans doute la société italienne WASP qui offre une impression 3D grand format à partir de matériaux céramiques.

NanoParticle Jetting ™

La technique a été développée par la société israélienne XJet, grâce à l’expérience de son PDG, Hanan Gothiat, qui a fondé Objet Geometries, une société à la base de la technologie Polyjet. Après des années de travail et plus de 80 brevets en poche, il a lancé en 2016 NanoParticle Jetting ™, une technologie développée pour le métal et la céramique. Ses premières solutions sont les systèmes Carmel 1400 et Carmel 700 AM.

“La clé du NanoParticle Jetting ™ commence par sa méthodologie unique de dispersion liquide. Des suspensions liquides contenant des nanoparticules solides de matériaux de fabrication et de support sont projetées sur le plateau de fabrication pour fabriquer couche par couche des pièces détaillées. Les suspensions liquides sont livrées et installées sans problème dans des cartouches scellées, a expliqué Hanan Gothait. La précision de nos têtes d’impression ainsi que l’utilisation de couches ultra-fines, qui créent une résolution Z très élevées, permettent d’obtenir facilement des pièces très nettes. Cela est très important si on veut que les céramiques imprimées en 3D atteignent une excellente forme dimensionnelle et une tolérance optimale.”

La solution d’impression 3D céramique de XJet

Et les techniques et matériaux d’impression 3D céramique continue de croître et d’évoluer. L’exemple de Canon en est une parfaite illustration : il révélait il y a quelques temps une nouvelle technique pour imprimer de la céramique, ainsi qu’un matériau compatible sur des machines de frittage laser sélectif. D’autres acteurs devraient contribuer à cette évolution dans les prochaines années.

L’arrivée de l’impression 3D céramique dans différentes industries

L’introduction de la céramique technique dans diverses industries est considérée comme un réel avantage compétitif sur le long terme. Certaines entreprises peuvent aujourd’hui commencer leur activité grâce à des services d’impression 3D céramique présents sur le marché. On peut citer des entreprises comme Materialise ou Shapeways qui offrent différentes possibilités de fabrication, mais aussi les fabricants d’imprimantes 3D eux-même comme 3DCeram ou Admatec. Les entreprises traditionnelles de céramique misent aussi sur l’impression 3D.

Des pièces en céramique imprimées en 3D sur une machine de liage de poudre

Martí Baltà, PDG de Ceramics Baltà et Protopenedes 3D explique : « Ceramics Baltà est un atelier avec plus de 30 ans d’expérience dans la céramique traditionnelle et artistique. Nous nous sommes tournés vers l’impression 3D pour trois raisons : ouvrir une nouvelle opportunité économique, offrir de nouvelles possibilités de fabrication à nos clients et entrer sur un marché de niche sur lequel les avantages sont nombreux. Nous nous sommes appuyés sur trois connaissances maîtrisées en interne : en conception et modélisation numérique, dans les matériaux céramiques et enfin dans leurs infrastructures.”

Pour les fabricants comme cette entreprise catalane avec plusieurs années d’expérience dans le domaine, la céramique est un matériau très polyvalent avec une grande résistance et de bonnes propriétés. « C’est un matériau qui, une fois fritté dans tous les sens, est inerte et écologique. De plus, il existe des mélanges de matériaux céramiques possédant de grandes propriétés d’isolation thermique ou électrique. N’oublions pas que lorsque nous parlons d’impression 3D céramique, on ne parle pas de prototype mais du produit final”, ajoute Baltà.

Une pièce imprimée en 3D par XJet

Des entreprises telles que XJet considèrent l’impression 3D céramique comme une méthode de production finale. Au cours des dernières années, différentes industries de la santé, de l’énergie ou de l’automobile qui avaient initialement adopté des techniques de fabrication additive plastique ou métal ont commencé à se développer avec un procédé à base de céramique. “La technologie devrait être pleinement acceptée, en tant que méthode de fabrication valide, nécessaire et même préférée, ajoute Hanan Gothait. L’impression céramique 3D en est encore à ses balbutiements, mais elle se développe rapidement. La principale force motrice à cet égard est la nécessité croissante d’une plus grande résistance à la température et d’une solidité des pièces et composants plus importante ; les métaux ont leurs limites, là où la céramique fonctionne extrêmement bien.”

Quel est l’avenir de l’impression 3D céramique ?

L’impression 3D céramique continuera d’évoluer, c’est indéniable. Mais tout comme le reste des techniques de fabrication additive adoptées dans l’industrie, il lui faudra du temps avant d’être pleinement acceptée. 3DCeram pense que d’ici une dizaine d’années, l’industrie atteindra une certaine maturité. Les matériaux joueront sans aucun doute un rôle clé – les céramiques techniques sont très attractives pour l’industrie mais les céramiques plus traditionnelles ont aussi une carte à jouer pour des secteurs plus artistiques.

La stéréolithographie permet d’imprimer des pièces en céramique

“Dans le secteur du design et de l’artisanat, la technologie LDM deviendra une option à prendre en compte dans presque tous les nouveaux ateliers de céramique, qui incluent déjà dans leurs études universitaires la modélisation numérique et l’impression 3D, explique Martí Baltà en parlant de l’avenir de cette industrie. Dans le secteur médical, le DLP ou la SLA seront de plus en plus utilisés pour la fabrication d’implants et le liage de poudre offrira de nombreuses possibilités en termes de production de prothèses de qualité.”

La diffusion des technologies d’impression 3D céramique a déjà commencé, mais il reste encore des détails que fabricants, services et utilisateurs doivent prendre en compte avant de recourir à cette technique. Selon le PDG de XJet: « Il faut relever certains défis importants pour parvenir à cette croissance, par exemple les programmes de formation destinés aux ingénieurs céramistes. L’adoption de cette technologie par les principaux acteurs du marché de la céramique, y compris les fabricants, les fournisseurs de services et les utilisateurs finaux, est une étape essentielle dans cette avancée. Une fois que ce processus aura commencé, on aura un effet boule de neige et la technologie sera légitime et très populaire.”

Crédits photo : XJet

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