A la découverte des matériaux d’impression 3D : les métaux

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

Aluminium

L’aluminium offre une excellente combinaison entre légèreté et résistance. En plus d’être résistant à la corrosion, il peut également être soudé. Comparé aux aciers, il est moins résistant et plus sensible aux hautes températures. Il est principalement utilisé dans les domaines où le poids est essentiel comme les pièces mécaniques des voitures de course, l’aéronautique, l’aérospatiale, les vélos, etc. Il est rarement présent à l’état pur et se trouve plus souvent 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 AISi10Mg, proposé par le fabricant allemand EOS sous forme de poudre. De cette manière, il est possible de fabriquer des pièces solides et complexes.

Crédits photo : Laboratoires HRL, LLC

Alliages d’aluminium

Comme nous l’avons mentionné, les alliages d’aluminium se trouvent plus souvent que la forme pure et sont traditionnellement utilisés dans de nombreuses applications industrielles, aérospatiales et automobiles. De plus, ils possèdent un rapport résistance/poids élevé et présentent également une bonne résistance à la charge métallique et à la corrosion.

Acier

Étant l’un des métaux les plus courants dans l’industrie 3D, il n’est pas surprenant que l’acier ait été le premier métal utilisé dans la fabrication additive. Dans ce groupe, nous pouvons trouver deux types : acier inoxydable et acier maraging. L’inox est très présent dans la vie de tous les jours, l’industrie mécanique et la médecine. Il a de bonnes propriétés métalliques et permet d’obtenir une surface polie et brillante. Plusieurs fabricants de l’industrie 3D proposent ce matériau, comme EOS, ProMetal ou Desktop Metal. Certaines de ses propriétés incluent : 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. Ceci est réalisé, par exemple, en enduisant les couches de poudre d’acier inoxydable avec de la colle d’injection de bronze dans l’impression. D’autre part, la société EOS a développé l’acier dit Maraging Steel MS1, qui est utilisé dans la fabrication d’outils ou de moules, grâce à sa solidité et sa résistance à la rupture.

Pièce imprimée en 3D en acier inoxydable.

Alliages de cuivre

Le cuivre est un autre des métaux compatibles avec la fabrication additive. Ses propriétés comprennent une conductivité électrique et thermique élevée, sa ductilité (déformation plastique sans rupture) et sa malléabilité (déformation par compression). Dans le secteur de l’impression 3D, le cuivre se trouve aussi bien sous forme de filament que de poudre métallique. De par ses caractéristiques, ce métal est idéal pour les applications de gestion thermique et d’électrotechnique (inducteurs, électrodes, échangeurs de chaleur, etc.), ainsi que pour l’outillage et la fabrication d’outillages. Certains de ses alliages les plus courants sont : CuNi2SiCr, CuCrZr, CuCP, Cu.

Crédits photo : Beamler

Gallium

Même en R&D, le gallium est utilisé comme alliage avec 25% d’indium, pour imprimer des objets à partir de petites bulles métalliques ou de fils métalliques auto-portants pour assembler des composants électroniques. La particularité de cet alliage est qu’en plus de fondre à basse température de près de 30°C, les deux métaux durcissent également à l’air tandis que l’intérieur reste liquide, permettant à l’impression d’être souple. Cependant, le prix reste le principal obstacle lorsqu’il s’agit de vouloir commercialiser ce matériau pour une utilisation en impression 3D.

Titane

Le titane est le matériau par excellence de la médecine et de l’industrie aérospatiale, grâce à son excellente composition en termes de résistance et de poids, ainsi qu’à sa haute résistance à la corrosion et à sa bio-compatibilité. C’est un métal que l’on peut trouver sous forme de poudre ou de filament. Tous les grades de titane présentent une résistance à la corrosion, une ductilité et une soudabilité extrêmes, bien que le grade un soit relativement plus coulable que les grades deux, trois et quatre. Le quatrième degré est le plus fort. L’impression 3D facilite la fabrication des pièces en titane et évite les impuretés obtenues avec les techniques traditionnelles lors de la phase de soudage. Cependant, un grand inconvénient de ce matériau est son coût élevé, puisqu’il est environ 50 fois supérieur à celui de l’acier.

Pièce imprimée en 3D en titane pour l’aéronautique

Alliages de titane

Comme les alliages d’aluminium, les alliages de titane ont des propriétés mécaniques et un comportement chimique améliorés. L’alliage Ti6Al4V est le plus largement utilisé, occupant 56% du marché total du titane, en raison de 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 fixations, des anneaux, des disques et des conteneurs. Les alliages de titane sont également utilisés pour produire des pièces de moteurs automobiles hautes performances telles que des boîtes de vitesses et des bielles.

Cobalt-chrome

Compatibles avec les techniques EBM et DMLS, les alliages de cobalt présentent une meilleure qualité que ceux obtenus avec les méthodes de production traditionnelles, telles que la fonte à la cire perdue. Comme les alliages de titane, les alliages cobalt-chrome, connus sous le nom de CoCrMo, sont largement utilisés en médecine pour la fabrication de prothèses tant en orthopédie qu’en dentisterie. Cela est dû à sa rigidité, sa douceur, son état de surface résistant à l’usure et son absence de corrosion. De plus, les industries automobile et aérospatiale utilisent des alliages cobalt-chrome-molybdène hautement résistants à la chaleur. EOS propose des alliages CobaltChrome MP1 et SP2 résistants aux hautes températures (600°C). D’autre part, la société Arcam, appartenant à GE Additive, commercialise la norme ASTM F75, qui est également largement utilisée pour la production d’outils et de moulures.

Implants dentaires imprimés en 3D. (crédits photo : EOS)

Alliages à base de nickel

Le nickel est un matériau incroyablement polyvalent, présent sous forme de poudre ou de filament, et capable d’être allié à d’autres métaux. Les superalliages nickel-chrome, tels que l’Inconel 718 et l’Inconel 625, permettent la fabrication de pièces métalliques solides et résistantes à la corrosion. Ces alliages sont principalement utilisés dans les industries aéronautique, automobile et pétrochimique, où ils sont soumis à des contraintes et des températures élevées. Les propriétés mécaniques des alliages à base de nickel dans la fabrication additive, tels que l’Inconel 625, sont grandement améliorées en utilisant des quantités importantes de nickel, de chrome et de molybdène dans le métal.

Métaux précieux

Nous avons vu précédemment qu’il était possible d’ajouter de la colle pour injecter du bronze et de l’or dans un objet en acier imprimé. Il existe également une autre façon d’imprimer avec ces métaux, qui est par coulée de métal. Ce moulage est un moule réalisé à la cire perdue, fini à la main. Cette méthode est largement utilisée en joaillerie et dans la fabrication de petits objets. L’un des problèmes et limites de ce moulage est qu’il faut tenir compte des formes fines à éviter, ainsi que s’assurer d’avoir une épaisseur minimum de 0,8mm à 1mm pour que les parois soient respectées. La phase de finition est la clé d’un bon état de surface  notamment pour les pièces en argent. Avec l’or, il est possible d’obtenir différentes nuances de couleurs (rose, blanc et jaune).

Enfin, il est important de noter qu’il est aujourd’hui possible de modifier la structure atomique du métal lors de l’impression 3D. En faisant cela, vous aurez une solidification plus rapide et plus uniforme, ce qui peut donner un métal plus rigide et plus résistant. Pour en savoir plus sur les technologies d’impression 3D métal, vous pouvez lire notre guide complet ICI.

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*Crédits photo de couverture : Sigma Additive Solutions