Le cobalt chrome en impression 3D

Le cobalt chrome est un alliage métallique qui a gagné en importance dans une variété d’applications industrielles, en particulier dans le domaine de la fabrication additive. Avec une combinaison unique de résistance et de durabilité, le cobalt-chrome est idéal pour la création de pièces qui requièrent une grande précision et une grande résistance dans des conditions exigeantes, comme les composants médicaux et dentaires. Cet alliage se distingue non seulement par ses propriétés mécaniques, mais aussi par sa capacité à être moulé dans des formes complexes grâce à l’impression 3D, ce qui ouvre de nouvelles possibilités dans la conception et la fabrication de pièces personnalisées. Dans ce guide, nous allons explorer les propriétés du cobalt chrome, ses avantages en matière d’impression 3D, ainsi que les principales applications et les différents fabricants de ce matériau sur le marché.

Caractéristiques du matériau

Cet alliage métallique (CoCr) se compose principalement, comme son nom l’indique, des éléments chimiques chrome et cobalt. Il contient également une petite proportion d’autres éléments chimiques, tels que le molybdène, le tungstène et le nickel. Il s’agit d’un alliage non magnétique obtenu par des procédés métallurgiques avancés impliquant la fusion du cobalt et du chrome avec d’autres éléments qui améliorent ses propriétés mécaniques et sa résistance. L’une des méthodes les plus courantes pour les obtenir est la fusion en four électrique, dans laquelle ces métaux sont fondus à haute température dans des fours à induction ou à arc électrique. Dans certains cas, une fois l’alliage liquide obtenu, il peut être soumis à un processus de forgeage, qui consiste à chauffer et à mouler le matériau en appliquant une pression.

Ce matériau se caractérise par sa résistance et sa durabilité

Toutefois, lorsqu’il est requis sous forme de poudre métallique pour des applications d’impression 3D, l’alliage cobalt chrome peut également être obtenu par pulvérisation cathodique. Dans ce processus, l’alliage est converti en fines particules grâce à des techniques d’atomisation ou de pulvérisation, ce qui permet de l’utiliser ensuite dans des technologies de fabrication additive basées sur des lits de poudre. Ces techniques permettent de créer des pièces complexes à partir de poudre métallique, offrant ainsi une plus grande flexibilité dans la conception et la fabrication de composants de haute précision. Parmi les caractéristiques les plus remarquables du cobalt chrome, on peut citer :

• Résistance à la corrosion, en particulier dans les environnements hostiles, tels que ceux présentant une forte concentration de chlorures. Cette caractéristique est particulièrement importante dans les applications médicales, où le contact avec les fluides corporels est constant.
• Dureté et résistance mécanique élevées, ce qui fait de cet alliage un choix idéal pour les pièces soumises à des charges mécaniques importantes. En outre, sa capacité à maintenir l’intégrité structurelle même à des températures élevées est un avantage significatif.
• Biocompatibilité : grâce à sa résistance à la corrosion et à sa stabilité chimique, l’alliage cobalt chrome est hautement biocompatible. Par conséquent, il ne provoque généralement pas de réactions indésirables dans le corps humain, ce qui permet de l’utiliser dans le secteur médical.
• Une conductivité thermique élevée, qui lui permet de dissiper efficacement la chaleur dans certaines applications.
• Une grande stabilité thermique, c’est-à-dire une grande résistance à la déformation à des températures élevées. Il est donc idéal pour les composants fonctionnant dans des conditions extrêmement chaudes.

Impression 3D du cobalt chrome

L’alliage cobalt chrome peut être utilisé en fabrication additive, sous forme de poudre, pour la création de pièces à géométrie complexe. Ce matériau est principalement compatible avec des procédés tels que la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), la fusion par faisceau d’électrons (EBM) ou la technologie de fusion sélective par laser (SLM). Le point de fusion de l’alliage cobalt chrome est d’environ 1 200-1 400°C, en fonction de la composition exacte de l’alliage. Il s’agit d’un point de fusion assez élevé par rapport à d’autres métaux couramment utilisés dans l’impression 3D, tels que l’aluminium ou l’acier inoxydable. C’est pourquoi le processus d’impression 3D de cobalt chrome doit être réalisé à des températures élevées, ce qui nécessite un contrôle précis de l’environnement d’impression et un équipement de haute qualité.

L’alliage cobalt chrome est compatible avec les technologies de lit de poudre (crédits photo : Eplus3D).

L’utilisation d’un alliage cobalt chrome dans l’impression 3D présente certaines considérations techniques spécifiques en raison de ses propriétés physiques et chimiques. Comme il s’agit d’un alliage à haute température de fusion, l’énergie du laser doit être ajustée pour éviter l’évaporation ou une mauvaise fusion du matériau. En outre, comme l’alliage contient du chrome, un métal très réactif, des précautions supplémentaires doivent être prises pour contrôler l’environnement d’impression. L’utilisation d’atmosphères inertes d’argon ou d’azote est recommandée pour éviter les réactions indésirables avec l’oxygène. Un autre aspect important est la fluidité de la poudre. Le cobalt chrome est moins fluide que d’autres métaux, ce qui peut compliquer la distribution uniforme de la poudre au cours du processus de fabrication. Pour y remédier, des paramètres d’impression finement ajustés sont nécessaires pour garantir une fusion homogène et une bonne qualité de surface des pièces fabriquées.

Après l’impression 3D, plusieurs étapes de post-traitement doivent être réalisées. Tout d’abord, les pièces doivent être refroidies lentement pour éviter les tensions internes ou les déformations. Ensuite, les pièces sont nettoyées, ce qui inclut le dépoudrage et le retrait des supports d’impression (le cas échéant). Dans certains cas, notamment dans les applications médicales, il peut être nécessaire d’appliquer un traitement thermique, tel que le recuit. Ce traitement améliore la structure cristalline et la résistance mécanique de l’alliage et donc des pièces. Enfin, des techniques telles que le polissage (électrolytique ou mécanique) sont courantes pour obtenir une surface lisse et de haute qualité.

Principales applications et fabricants du marché

Grâce à sa résistance à la corrosion, sa dureté et sa biocompatibilité, l’impression 3D de cobalt chrome est mise en œuvre dans une multitude d’industries. Elle est principalement utilisée dans la fabrication de composants médicaux, tels que les implants orthopédiques, les prothèses dentaires et les dispositifs chirurgicaux. Dans ces applications, les pièces doivent présenter une résistance mécanique élevée et être parfaitement compatibles avec le corps humain. Il est également utilisé dans les industries aérospatiale et automobile pour la production de pièces soumises à des conditions de température et d’usure extrêmes, telles que les turbines et les composants de moteurs.

Le cobalt chrome est largement utilisé dans les applications médicales et dentaires.

Plusieurs entreprises proposent non seulement des solutions de fabrication additive, mais aussi des matériaux compatibles avec leurs machines, comme le chrome cobalt. Colibrium Additive (qui fait partie de GE Aerospace) est l’une des principales entreprises de fabrication de métaux pour l’impression 3D. Elle développe notamment ses propres alliages CoCr compatibles avec ses machines L-PBF et EBM. EOS, Eplus3D, Renishaw et 3D Systems, entre autres, proposent également des poudres de cobalt chrome conçues et testées pour être utilisées dans les systèmes métalliques de ces entreprises.

Il convient également de noter qu’un certain nombre de fournisseurs de matériaux proposent ce métal pour le secteur de la fabrication additive. Il s’agit notamment de Carpenter Additive, avec sa gamme PowderRange® (CCM®-MC et CCM®), et de Sandvik avec la gamme standard de poudres métalliques Osprey®, qui comprend de la poudre de cobalt chrome pour la fabrication additive.

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*Crédits photo de couverture : PiTch_ / David Doleac