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A la découverte des matériaux d’impression 3D – Deuxième partie : Les métaux

Après une première partie dédiée aux plastiques, on s’attaque aujourd’hui aux métaux, des matériaux très usités dans l’industrie aéronautique, automobile et bio-médical, et utilisés par des procédés tels quel le frittage sélectif laser (SLS), le frittage laser direct de métal (DMLS) ou encore le E-Beam (EBM).

L’aluminium

Ce matériau est un excellent compromis entre légèreté et solidité. En plus d’être résistant à la corrosion, il peut être soudé. Par rapport aux aciers, il est moins robuste à la fatigue et aux hautes températures, il est principalement utilisé dans les domaines où la notion de poids est essentielle : pièces mécaniques des voitures de course, aéronautique, aérospatiale, vélos etc…

Il est rarement présent à l’état pur, on le trouve plus souvent sous forme d’alliage avec des métaux améliorant les propriétés physiques et mécaniques, comme le silicium et le magnésium. Un exemple classique est l’Aluminium AlSi10Mg, proposé par le constructeur allemand EOS à l’état de poudre, qui permet de fabriquer des pièces solides et complexes.

Le gallium

Encore au niveau de la recherche et développement, le gallium est utilisé en alliage avec 25% d’indium pour imprimer des objets à partir de petites bulles de métal ou à partir des câbles de métal autoportant pour rejoindre des composants électroniques par exemple. La particularité de cet alliage est dû à la basse température nécessaire pour faire fondre le gallium (29,7° C) et au fait que les deux métaux durcissent à l’air, tandis que l’intérieur reste liquide, pouvant imprimer ainsi des pièces flexibles.

Voici une vidéo réalisée par l’équipe de chercheurs de l’Université de Caroline du Nord  -aux Etats-Unis – qui travaille sur l’impression de ce matériau.

Le prix reste le premier frein à la commercialisation de ce matériau pour l’impression 3D.

L’acier

Etant un des métaux le plus usité en l’industrie pour la fabrication de tout type de pièces, l’acier a été le premier métal utilisé en impression 3D. La société Française Phoenix récemment racheté par le leader 3D System avait notamment developpé des brevet sur l’acier.

L’acier inoxydable

Plus connu sous le nom d’inox, ce matériau est très présent dans la vie quotidienne, les industries mécaniques et la médecine, il présente de bonnes propriétés mécaniques et permet d’obtenir une surface polie et brillante. Plusieurs acteurs de la fabrication additive proposent ce matériau comme EOS, ProMetal ou encore ExOne.

Il est aussi possible d’imprimer des pièces en bronze ou en or en utilisant l’inox comme matériau de base: les couches de poudre d’inox sont recouvertes de colle pour injecter du bronze à l’impression par exemple.

L’acier d’outillage Maraging

La société EOS offre l’acier Maraging Steel MS1 qui est utilisé dans la fabrication d’outillages ou de moule grâce à sa haute dureté et résistance à la rupture.

Le titane

Le titane est le matériau phare de la médecine et de l’aérospatiale grâce à son excellent compromis entre solidité et poids, en plus de sa grande résistance à la corrosion et sa biocompatibilité.

Comme pour l’aluminium, les alliages de titane présentent des propriétés mécaniques et un comportement chimique améliorés. Dans le marché on trouve  le Ti6Al4V offert par EOS, le Ti6Al4V Grade 5 et le Ti6Al4V ELI Grade 2 offerts par Arcam.

L’impression 3D rend plus facile la fabrication des pièces en titane et évite les impuretés obtenus avec les techniques traditionnelles lors de la phase de soudure. Cependant, un grand inconvénient de ce matériau est son coût élevé, autour de 50 fois supérieur à celui de l’acier.

Le cobalt-chrome

Imprimés avec la technique E-Beam (EBM) et DMLS, les pièces en alliages du cobalt présentent une meilleure qualité que celles obtenues avec les méthodes de production traditionnelles comme le moulage à cire perdue.

Comme les alliages de titane, les alliages cobalt-chrome, comme le CoCrMo par exemple, sont très utilisés en médecine pour la fabrication des prothèses tant en orthopédie comme en odontologie grâce à sa rigidité et son état de surface lisse et résistante à l’usure et à la corrosion. En plus, l’industrie automobile et aérospatial, utilisent certains alliages cobalt-chrome-molybdène très résistants à la chaleur.

La société EOS offre les alliages CobaltChrome MP1 et SP2 qui sont résistants à hautes températures (600 ºC). D’un autre côté, Arcam commercialise l’ASTM F75, très usité aussi pour la réalisation d’outillage et moules.

Métaux Précieux

Précédemment nous avons vu qu’il est possible d’ajouter de la colle pour injecter du bronze et de l’or sur un objet imprimé en acier. Il y a aussi une autre façon d’imprimer avec ces métaux : Le métal fondu est coulé dans un moule fabriqué à cire perdue et ensuite la finition s’effectue à la main!

Ce procédé est très utilisé en bijouterie et pour la fabrication d’objets de petite taille. Par contre, il faut tenir compte des problèmes et des limites du moulage, les formes trop fines sont à éviter et une épaisseur minimum de 0,8 mm à 1 mm pour les parois est à respecter.

La phase de finition est la clé d’un bon rendu de surface, surtout pour les pièces en argent.  Avec l’or il est possible d’obtenir différentes nuances des couleurs (rose, blanc, jaune).

Voici une vidéo pour apprécier les applications de l’impression 3D en métal (en anglais):

Enfin, il est important de remarquer qu’aujourd’hui il est possible de modifier la structure atomique du métal lors de l’impression afin d’avoir une solidification plus rapide et uniforme, ce qui peut avoir comme résultat un métal plus rigide et résistant.

Fun Fact: Il est désormais possible d’imprimer du métal chez soi. La société Vader Systems a présenté une nouvelle imprimante grand public lors de la Maker Faire de New York 2013. Plus d’informations ici.

Vous pouvez aussi retrouver notre première partie sur les Materiaux plastiques : ICI

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À propos Susana SANCHEZ

Etudiante ingénieure en mécatronique à Escuela de Ingeniería de Antioquia (EIA) en Colombie et étudiante en double diplôme à l’Ecole Nationale Supérieur d’Arts et Métiers (ENSAM) en France en Master Recherche Systèmes Avancés et Robotique. Passionnée par l’ingénierie, la technologie et le design, je suis une adepte de la philosophie DIY (Do It Yourself). Je considère l’impression 3D comme une évolution majeure, non seulement industrielle et commerciale mais également artistique.