Du prototypage à la production à grande échelle : le rôle de la fabrication additive céramique dans les applications industrielles
Parmi les différents matériaux d’impression 3D, les céramiques techniques suscitent curiosité et intérêt. En témoigne le fait que le marché de l’impression 3D céramique croît d’année en année, à mesure qu’il trouve sa place dans différentes industries. Par exemple, selon un récent rapport de Fundamental Business Insights, en 2023, le marché mondial de l’impression 3D céramique était évalué à environ 45,12 millions de dollars et devrait atteindre 519,72 millions de dollars d’ici 2032, avec un taux de croissance annuel de 31,2 % entre 2024 et 2032.
Cette croissance peut s’expliquer par l’intérêt accru pour les céramiques techniques et leurs propriétés avancées, notamment la résistance chimique, l’isolation électrique, la résistance aux températures élevées et la biocompatibilité. Ces caractéristiques les rendent idéales pour les industries exigeantes telles que l’aérospatiale, l’automobile, l’énergie et le secteur médical.
Ceramic additive manufacturing is an increasingly present technology for industrial applications.
Si les céramiques techniques sont idéales pour les applications à hautes performances, il est également vrai qu’il n’est pas toujours facile de traiter ces matériaux. Le défi, lorsqu’on utilise des matériaux céramiques dans la production de pièces, est de maintenir leurs propriétés et leur qualité pour chaque pièce. Lorsque l’on augmente la production ou que l’on traite des géométries complexes, des problèmes tels que la porosité, la rugosité de surface et la précision dimensionnelle peuvent se poser.
Pour relever ce défi aujourd’hui, plusieurs entreprises ont décidé de se spécialiser dans l’impression 3D de céramiques et de démontrer la faisabilité de la fabrication additive céramique pour des applications complexes en série. Parmi ces entreprises, Bosch Advanced Ceramics, créée en 2014 au sein de la filiale Bosch Business Innovations du célèbre groupe Bosch, s’est spécialisée dans la production industrielle par fabrication additive céramique. L’objectif de Bosch Advanced Ceramics est de combler le fossé entre le prototypage et la production industrielle en grand volume de composants en céramique.
Quels sont les avantages de la fabrication additive céramique pour les applications industrielles ?
Les avantages de la fabrication additive par rapport aux méthodes traditionnelles sont bien connus. Il s’agit notamment de la capacité à produire des pièces très détaillées et complexes, d’un processus plus souple et optimisé, de la possibilité d’intégrer des fonctionnalités multiples dans un seul composant pour des conceptions de produits plus innovantes, d’une mise sur le marché plus rapide et d’économies en termes d’argent et de temps. Mais ce n’est pas tout.
Il est également important de noter que la fabrication additive permet d’éviter l’utilisation de moules coûteux, en particulier pour les pièces petites et complexes. Cela permet également d’éliminer les longs délais d’attente et les coûts élevés de fabrication et de livraison. Un autre point essentiel est que l’impression 3D céramique donne accès à une fabrication flexible, facilement adaptable à l’évolution des exigences de conception et de production.
Fortes de ces nombreux avantages, de plus en plus d’entreprises bénéficient aujourd’hui de la production de composants céramiques à grande échelle grâce à la fabrication additive. Cela démontre clairement que cette technologie n’est plus confinée, comme on le croit parfois à tort, au monde du prototypage.
Sur ce point, Ashu Sharma, CSO de Bosch Advanced Ceramics, estime qu’il est important de communiquer sur ces avantages car tout le monde n’en est pas encore conscient, ajoutant : « La fabrication additive étant une technologie relativement jeune, beaucoup de nos clients ne sont pas conscients de tous ses bénéfices. Nous inspirons nos clients lors de réunions techniques, en leur montrant comment exploiter ces avantages et tirer le meilleur parti de la technologie. » À ce jour, le défi consiste donc à essayer de faire connaître au plus grand nombre le potentiel de la fabrication additive céramique et l’étendue de ses applications possibles.
Cas d’utilisation de la fabrication additive céramique dans plusieurs secteurs d’activité
Mais comment ces avantages se traduisent-ils en pièces de pointe ? Nous avons demandé à Bosch Advanced Ceramics de nous présenter des exemples concrets de cas d’utilisation. Il est intéressant de noter que cette technologie et ces matériaux sont effectivement adaptables à une grande variété d’applications et d’industries.
Bosch Advanced Ceramics dessert des marchés qui présentent chacun des défis uniques et nécessitent des solutions personnalisées. Il s’agit notamment des secteurs de la médecine, des semi-conducteurs, de l’énergie, de l’automobile et de l’électronique. Parmi les projets les plus récents de l’entreprise figure la production de douilles d’isolation très petites et complexes pour une entreprise de technologie médicale. La douille a été conçue pour isoler électriquement un fil de 0,5 mm dans un instrument de laparoscopie. Le défi consistait à produire un composant d’un diamètre extérieur maximal de 1,3 mm et d’une épaisseur de paroi de seulement 90 µm. Des exigences presque impossibles à atteindre avec les méthodes de fabrication traditionnelles
La technologie d’impression 3D a permis à Bosch Advanced Ceramics de relever ce défi en apportant des modifications rapides à la conception et aux paramètres du processus, ce qui lui a permis d’affiner son approche de la fabrication. Grâce au procédé de Lithoz basé sur la lithographie, l’entreprise a pu produire jusqu’à 1 400 pièces en un seul processus d’impression et jusqu’à 50 000 pièces en un an. La réussite du projet a également permis la mise en œuvre d’une instrumentation laparoscopique innovante et moins invasive pour les patients.
La douille de 3,65 mm a été fabriquée en alumine avec une excellente résistance thermique, une stabilité chimique et une isolation électrique.
Une autre application intéressante de l’impression 3D céramique est celle réalisée pour la société STIWA, leader dans le domaine des machines automatisées. Dans ce cas, une aiguille de distribution innovante était nécessaire.
En général, les aiguilles de distribution en métal sont utilisées dans les processus automatisés de fabrication d’adhésifs pour distribuer avec précision des adhésifs très visqueux. Ces composants doivent être particulièrement robustes et résistants à l’usure, car les arrêts de production peuvent entraîner des coûts importants. Bosch Advanced Ceramics a développé pour STIWA une aiguille de dosage alternative en céramique technique, produite par impression 3D.
L’aiguille de dosage a été imprimée sur une imprimante Lithoz avec de l’alumine 99,8 %. La particularité de cette aiguille de dosage est sa géométrie interne complexe : un cône interne qui se rétrécit de quelques millimètres à 0,8 mm, caractérisé par une courbure sophistiquée. Une géométrie impossible à réaliser avec les techniques de fabrication traditionnelles. En outre, la haute précision du processus de fabrication a permis d’obtenir une rugosité de surface extrêmement faible, favorisant un écoulement fluide de l’adhésif à travers le trou.
L’aiguille en céramique présente une géométrie interne complexe.
Enfin, un autre domaine qui peut bénéficier de l’impression 3D céramique est celui des semi-conducteurs. Selon Bosch Advanced Ceramics, un cas d’utilisation réussi a été la fabrication d’une lame annulaire de 200 mm de large pour la manipulation et le traitement des wafers à partir de cassettes ou de chambres de traitement. Ce qui est intéressant, c’est que cette pièce, fabriquée en alumine à plus de 99,8 %, mesure 250 x 200 x 3,5 mm et ne pèse que 280 grammes. Un canal intérieur continu de 120 mm a été réalisé à l’intérieur de la pièce pour permettre l’écoulement de gaz ou de liquide.
En outre, contrairement aux métaux, l’alumine ne contamine pas les plaquettes et ne compromet pas la pureté dans la fabrication des semi-conducteurs, ce qui réduit considérablement les risques de contamination. Sa nature non réactive, associée à une excellente résistance aux produits chimiques et à la température, en fait un matériau idéal pour l’environnement des semi-conducteurs, garantissant des performances constantes et fiables. Pour cette application, Bosch Advanced Ceramics a utilisé une imprimante de 3DCeram, qui a permis de produire en une seule pièce un anneau de grande taille d’une densité et d’une précision excellentes.
La fabrication additive céramique permet l’évolutivité et la flexibilité dans la conception et la production des pièces.
Ces cas d’utilisation mettent en évidence le potentiel de transformation de la fabrication additive céramique pour un large éventail de besoins industriels. En offrant des solutions fiables et de haute qualité pour les applications les plus exigeantes, cette technologie est en train de changer la donne. Le partenariat avec des experts capables de soutenir un projet de la conception à la production à grande échelle, comme Bosch Advanced Ceramics, offre un avantage concurrentiel significatif dans l’industrie d’aujourd’hui.
Sophie Berninger, PDG de Bosch Advanced Ceramics, conclut : « En maîtrisant l’ensemble de la chaîne de processus, de l’itération de la conception au composant final, nous avons développé la technologie au-delà du stade du prototype et produisons désormais activement des composants céramiques en série grâce à l’impression 3D, démontrant ainsi la viabilité et la fiabilité de la fabrication additive pour toute une série d’industries. La capacité de produire des céramiques techniques de haute précision avec des géométries complexes offre de réels avantages, depuis la réduction des délais jusqu’à l’utilisation plus efficace des matériaux. Alors que la technologie continue de se développer, il est clair que la fabrication additive sera un moteur essentiel de l’innovation, aidant les industries à rester compétitives dans un paysage en évolution rapide. » Pour en savoir plus sur Bosch Advanced Ceramics et les applications de la fabrication additive céramique, cliquez ICI.
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*Crédits de toutes les photos : Bosch Advanced Ceramics
