Que faut-il savoir sur l’impression 3D de titane ?

Cuivre, sable, alumide… nous avons déjà abordé de nombreux matériaux utilisés en impression 3D. Aujourd’hui, nous nous intéressons au titane. C’est un métal de transition qui ne se trouve jamais à l’état pur dans la nature. Pour l’extraire, on utilise des minéraux tels que le rutile (TiO2) et l’ilménite (FeTiO3) à travers un procédé complexe.

Bien que ce procédé permette d’obtenir du titane pur, il reste énergétiquement coûteux. Le métal produit atteint généralement une pureté de 99,9 %, souvent allié à d’autres métaux pour créer des alliages plus performants. Grâce à ses caractéristiques, le titane est devenu un matériau de choix pour la fabrication additive dans des domaines tels que la médecine, l’aérospatial et l’automobile. Quels sont ses atouts et ses caractéristiques ? Quelles technologies d’impression 3D peut-on utiliser ? Pour en savoir plus, lisez notre guide !

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Quelles sont les caractéristiques du titane ?

Le titane, symbolisé par Ti et ayant le numéro atomique 22, est un matériau apprécié pour ses caractéristiques pratiques et polyvalentes. Il se distingue par sa légèreté, sa solidité, sa faible toxicité et sa grande résistance à la corrosion, ce qui le rend adapté à de nombreuses applications. Par ailleurs, avec une solidité proche de celle de l’acier mais un poids réduit d’environ 40 %, il est particulièrement utile pour la fabrication de pièces à la fois légères et durables. Le titane est également résistant à l’eau salée, aux produits chimiques et à l’usure, ce qui en fait un matériau idéal pour les environnements extrêmes. En plus de ses propriétés mécaniques, il possède de bonnes qualités thermiques, étant capable de supporter des températures élevées, jusqu’à 600°C. À l’inverse, il demeure stable même à des températures très froides.

Ce matériau est difficile à usiner, notamment en raison de sa faible conductivité thermique. Lors de l’usinage, comme avec des machines CNC, la chaleur produite est majoritairement retenue par la machine, ce qui peut entraîner une usure rapide.  De plus, l’usinage génère souvent beaucoup de déchets en raison de l’enlèvement de matière. Face à ces problématiques, de nombreuses entreprises se tournent vers des méthodes plus efficaces pour produire des pièces en titane. L’impression 3D métal est donc apparue comme une solution prometteuse.

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Les différents alliages de titane pour l’impression 3D

Comme expliqué auparavant, le titane est souvent utilisé sous forme d’alliage dans l’impression 3D, bien qu’il puisse aussi être extrait pur pour des applications spécifiques, comme dans le secteur médical, en raison de sa biocompatibilité. Dans l’impression 3D, plusieurs alliages de titane sont utilisés, le plus courant étant le Ti6Al-4V grade 5 (Ti64), un mélange de titane, aluminium et vanadium, apprécié pour sa résistance à la chaleur et à la corrosion. D’autres alliages incluent le Ti6Al-4V grade 23, adapté pour les prothèses et implants médicaux, et le Titane Beta 21S, plus solide et résistant à l’oxydation, utilisé dans les implants orthopédiques et les moteurs aérospatiaux. Le Cp-Ti (titane pur), est également employé dans le domaine médical pour sa compatibilité avec le corps humain. Pour finir, l’alliage TA15, composé de titane, aluminium et zirconium, est apprécié pour fabriquer des pièces résistantes aux hautes températures dans l’aéronautique et les moteurs.

Les alliages de titane sont privilégiés par rapport au titane pur dans le domaine de l’impression 3D, en raison de leur adaptabilité à des applications complexes. Bien que le titane pur soit reconnu pour sa légèreté, sa résistance à la corrosion et sa biocompatibilité, il présente certaines limitations qui le rendent parfois moins performant. En effet, sa ténacité, sa dureté et sa résistance à la fatigue sont relativement faibles, ce qui peut poser problème pour des applications nécessitant des matériaux capables de supporter des charges élevées et des sollicitations répétées.

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Quelles sont les technologies d’impression 3D utilisées ?

Dans l’impression 3D, le titane est généralement utilisé sous forme de poudre métallique ou de fil, en fonction de la technique choisie. Plusieurs technologies permettent d’imprimer en titane, offrant diverses solutions pour la fabrication de pièces. L’une des plus courantes est le dépôt de matière par énergie concentrée (DED). Dans ce procédé, le titane, en poudre ou en fil, est déposé puis fondu à l’aide d’une source d’énergie, comme un laser. Une autre méthode populaire est la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), aussi appelée DMLS ou SLM. Cette technique utilise un laser pour fondre les particules de poudre métallique, couche après couche, créant ainsi des pièces en titane de haute précision, comme celles en alliage Ti6Al4V.

L’impression par fusion de faisceau d’électrons (EBM) est également utilisée pour imprimer du titane. Elle fonctionne différemment du laser, en utilisant un faisceau d’électrons dans un environnement sous vide, et est particulièrement adaptée pour fabriquer des pièces en titane nécessitant une grande résistance, comme celles utilisées dans l’aéronautique. Enfin, l’impression 3D par liage de poudre (Binder Jetting) est une autre méthode où une poudre de titane est liée avec un liant avant d’être solidifiée par un processus de frittage.

L’impression 3D de titane, bien que très prometteuse, présente plusieurs défis qu’il est important de mentionner. Tout d’abord, le coût de production est élevé en raison du prix des alliages de titane, qui sont plus chers que d’autres matériaux utilisés pour la fabrication additive. Ce coût est aussi dû à la complexité du processus d’impression et aux besoins de post-traitement des pièces. De plus, les alliages de titane disponibles pour l’impression 3D sont moins nombreux que ceux d’autres métaux, ce qui peut compliquer l’approvisionnement et augmenter les coûts. Enfin, après l’impression, les pièces en titane nécessitent souvent un post-traitement minutieux, comme le retrait des supports, le traitement thermique et le polissage, pour obtenir la qualité souhaitée. Ces étapes supplémentaires augmentent non seulement le temps de production, mais aussi les coûts.

Quelles applications pour l’impression 3D de titane ?

Dans le secteur aérospatial, l’impression 3D de titane s’est imposée pour la fabrication de composants clés, notamment les pales de turbines, les supports et les pièces structurelles. Ce métal est prisé pour sa combinaison unique de légèreté, de solidité et de résistance aux températures extrêmes. Dans le médical, le titane est utilisé depuis longtemps grâce à ses propriétés biocompatibles et sa durabilité face à la corrosion. Des prothèses aux implants personnalisés, cette technologie a transformé le secteur médical en offrant de meilleurs résultats et en réduisant le temps des interventions chirurgicales, comme le démontrent les exemples d’implants produits par Amnovis.

Implants en titane produits par Amnovis (Crédits photo : Amnovis)

L’industrie automobile adopte également de plus en plus l’impression 3D de titane pour réduire le poids des véhicules et améliorer leur efficacité énergétique. Cette technologie est utilisée pour fabriquer des composants de moteurs, des systèmes d’échappement, des pièces de suspension et même des parties de châssis. Enfin, elle s’étend aussi à d’autres secteurs industriels, comme l’outillage, les gabarits et les fixations. En effet, elle permet de produire des outils et des structures complexes adaptés à des besoins spécifiques.

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*Crédits photo de couverture : Materialise