menu

Tout savoir sur l’impression 3D de cuivre

Publié le 7 octobre 2024 par Mélanie W.
impression 3D cuivre

Connu pour sa teinte rouge-orange, le cuivre est un métal populaire de par ses propriétés physiques exceptionnelles. Ces caractéristiques en ont fait un élément clé dans une variété d’industries, de l’électronique à la création de composants finaux. Avec les progrès de l’impression 3D, le cuivre a trouvé un nouveau champ d’application, permettant la création de designs complexes et personnalisés qui étaient auparavant difficiles à réaliser. Pour mieux comprendre les propriétés de ce métal, les avantages qu’il apporte aux pièces imprimées en 3D et les principaux fabricants du marché, lisez ce guide.

Caractéristiques du matériau

Le cuivre (Cu), dont le numéro atomique est 29, est un élément chimique. C’est le troisième métal le plus utilisé dans le monde, après le fer et l’aluminium, et une option de plus en plus prisée dans le domaine de la fabrication additive. La popularité du cuivre tient à ses propriétés intéressantes, et plus particulièrement à sa conductivité. Grâce à sa bonne conductivité électrique, sa ductilité et sa malléabilité, il est l’un des métaux les plus utilisés pour la fabrication de composants électriques. Si nous nous concentrons sur son utilisation dans l’impression 3D, nous trouvons différents alliages à base de cuivre, mais avec de légères variations entre eux. Nous énumérons ci-dessous quelques-uns des alliages les plus courants et leurs caractéristiques spécifiques :

  • Cu (cuivre pur) : excellente conductivité électrique et thermique, utilisé dans les composants électriques ;
  • CuCrZr (cuivre-chrome-zirconium) : améliore la résistance à la déformation et la dureté ;
  • CuCP (cuivre phosphoré) : résistant à la corrosion et présentant une bonne ductilité ;
  • CuSn (cuivre étamé) : améliore la résistance à la corrosion et la dureté ;
  • CuNi30 (cuivre-nickel 30) : offre une résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques améliorées.

Poudre de cuivre. (crédits photo : Inoxia)

L’extraction de ce matériau commence dans les mines (à ciel ouvert ou souterraines), où le minerai de cuivre est extrait de la terre. Une fois extrait, le minerai est concassé et broyé pour le réduire en particules plus petites, ce qui facilite la libération du cuivre des autres minéraux. Par la suite, une série de procédés, tels que la concentration, la fusion ou l’affinage électrochimique, transforment le minerai brut en métal et ses alliages avec un pourcentage de pureté plus ou moins élevé. C’est au cours de cette phase de transformation que la forme du cuivre (poudre ou fil) sera définie pour être utilisée dans la fabrication additive.

Impression 3D de cuivre

Comme indiqué précédemment, le cuivre offre une bonne résistance à la corrosion, ce qui prolonge la durée de vie des pièces imprimées dans des environnements agressifs. En outre, avec une optimisation adéquate du processus, il peut présenter des propriétés mécaniques compétitives, notamment la dureté et la résistance à l’usure. Cependant, l’impression 3D de cuivre présente également des difficultés. Par exemple, son point de fusion relativement bas peut compliquer la fusion du matériau et affecter la qualité de la liaison entre les couches. De plus, la conductivité thermique élevée du cuivre peut entraîner des problèmes de déformation lors du refroidissement, ce qui a un impact sur la précision dimensionnelle des pièces. Malgré tout, ce métal utilisé en fabrication additive permet de créer des pièces pour les industries les plus exigeantes.

Il existe aujourd’hui de nombreuses technologies d’impression 3D compatibles avec le cuivre, les plus courantes étant basées sur des systèmes de poudres. Tout d’abord, la fabrication additive sur lit de poudre métallique (L-PBF, DMLS ou SLM) est un procédé utilisé pour créer des pièces finales et des prototypes dans presque tous les alliages métalliques, y compris le cuivre. La qualité, la résistance et la densité de cette technologie sont bien supérieures à celles des techniques traditionnelles. La fusion par faisceau d’électrons, également appelée EBM (Electron Beam Melting), est une option compatible avec les alliages de cuivre, idéale pour le prototypage haut de gamme et la production de petites séries.

Pièces en cuivre imprimées en 3D (crédits photo : EOS)

Grâce au procédé Binder Jetting, qui permet de traiter des matériaux en poudre, il est également possible de créer des pièces en cuivre. Bien que le cuivre pur soit un matériau difficile à traiter à haute densité avec cette méthode, certaines entreprises ont développé leurs propres solutions pour y parvenir. On peut ainsi profiter de la liberté géométrique et des coûts réduits de la fabrication additive, tout en créant des pièces avec ce métal conducteur.

Une autre technologie de fabrication additive compatible avec le cuivre est le dépôt de matière sous énergie concentrée (DED). Selon la machine, le métal peut se présenter sous forme de poudre ou de fil. Contrairement aux autres technologies métalliques, l’impression 3D DED repose sur l’ajout de matériau par un processus de fusion en temps réel, ce qui permet une grande flexibilité dans la création de géométries complexes et la possibilité de réparer des composants existants.

Enfin, il existe deux technologies qui sont généralement utilisées avec des matériaux plastiques, mais qui, dans certaines exceptions, peuvent créer des pièces en cuivre. Il s’agit de l’impression 3D par extrusion (FFF/FDM) et de la photopolymérisation en cuve. Pour la première, Markforged a développé des solutions d’extrusion capables de travailler avec des fils métalliques. C’est le cas de la Metal X, une imprimante 3D FFF capable de traiter de la poudre de métal, enfermée dans un liant plastique qui est déposé couche par couche. Après l’impression, la pièce devra être lavée et placée dans un four pour éliminer thermiquement le liant restant et lui conférer toutes ses propriétés. En ce qui concerne la seconde technique, des entreprises telles que Holo, Admatec ou Incus ont mis au point leurs propres imprimantes 3D métalliques, compatibles avec le cuivre et basées sur la fabrication par lithographie liquide.

Applications principales

Compte tenu des propriétés intéressantes du cuivre, on peut s’attendre à une large gamme d’applications. Quelle que soit la technologie additive utilisée, il est clair que le cuivre se distingue par sa haute conductivité thermique et électrique. C’est pourquoi de nombreuses entreprises utilisent ce matériau pour la création de composants nécessitant une bonne conductivité électrique, tels que les bobines d’induction, les enroulements de moteurs de véhicules électriques, les bobines électromagnétiques, les guides d’ondes et les antennes, etc.

En outre, il s’agit d’un métal très utile pour la dissipation de la chaleur et les composants d’échange thermique, tels que les plaques de refroidissement, les puits de chaleur et les tuyaux de chaleur, les échangeurs de température, les dispositifs de refroidissement, les inserts de moules de refroidissement formés, etc. Enfin, dans l’industrie aérospatiale, ce matériau métallique est souvent utilisé pour les systèmes de propulsion et les pièces de moteur de fusée.

Fabricants de machines et de cuivre

Selon la technologie utilisée pour créer des pièces en cuivre, le métal peut se présenter sous différentes formes (principalement poudre et de fil). Plusieurs entreprises proposent actuellement leurs alliages de cuivre sur le marché de la fabrication additive. Il s’agit notamment de Sandvik, Höganäs, Safina et Mitsubishi Materials, mais aussi d’EOS, de 3D Systems et d’Elementum.

Il existe de nombreuses entreprises sur le marché qui développent des alliages de cuivre, mais aussi des solutions de fabrication additive compatibles avec le cuivre (crédits photo : Beamler).

Outre le matériau lui-même, il convient de mentionner les entreprises qui ont développé des solutions de fabrication additive compatibles avec ce métal. On peut évoquer Markforged, Holo, Admatec, Incus et 3D Systems, déjà citées. Mais il y en a aussi beaucoup d’autres comme Colibrium Additive (anciennement GE Additive), Desktop Metal avec ExOne, SLM Solutions, Renishaw, Optomec et DMG Mori, la liste n’étant pas exhaustive.

Avez-vous déjà eu recours à l’impression 3D de cuivre ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou LinkedIn !

*Crédits photo de couverture : GKN Powder Metallurgy

Partagez vos impressions

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

de_DEen_USes_ESfr_FRit_IT
Toute la 3D chaque semaine
Recevez un condensé de l’actualité de l’impression 3D

3Dnatives is also available in english

switch to

No thanks