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Conseils d’experts : comment tirer profit des avantages de la fabrication additive céramique ?

Publié le 15 février 2021 par Mélanie R.
fabrication additive céramique

L’année dernière, le cabinet d’études spécialisé en fabrication additive, SmarTech Analysis, révélait son dernier rapport sur l’impression 3D céramique, évaluant la technologie à 4,8 milliards de dollars d’ici 2030. Une opportunité réelle se dessine progressivement pour l’industrie, la fabrication additive offrant de vrais avantages en termes de géométrie de pièces, de matériaux disponibles mais aussi de coûts et de délais de fabrication. Traditionnellement plus connue dans le monde de l’usinage, la céramique possède en effet plusieurs propriétés et caractéristiques intéressantes pour des secteurs comme l’aéronautique, le médical ou encore la fonderie de précision. La possibilité aujourd’hui d’imprimer en 3D des pièces en zircone, en alumine ou encore en carbure impacte les flux de travail des industriels et leurs méthodes traditionnelles de fabrication. Mais finalement, pourquoi auraient-ils intérêt à se tourner vers l’impression 3D céramique ? Quels sont les avantages qu’ils peuvent en tirer ? Les freins encore existants ? Nos experts vous donnent leurs avis et leurs conseils pour intégrer efficacement la technologie.

Notre premier expert est Romain Faye, docteur en Science et Matériaux et aujourd’hui Chef de projet R&D pour la partie impression 3D de Nanoe. L’entreprise française, experte en production de matières premières innovantes, a investi dans le développement de matériaux pour la fabrication additive et plus particulièrement des filaments céramiques et métalliques. Notre second intervenant est Vagelis Mavropoulis, Directeur du département 3D de Lino3D. Le groupe grec accompagne les industriels dans leur processus de fabrication, en les aidant à choisir le procédé adapté, les bons matériaux et à acquérir les compétences nécessaires pour comprendre les enjeux et fonctionnement des technologies 3D. Enfin, notre troisième expert est Olivier Greck, Responsable d’Affaires Innovation et Développement chez AVIGNON CERAMIC. L’entreprise française est spécialisée depuis 1870 dans la fabrication en moulage par injection de noyaux céramique réfractaires pour la fonderie de précision à cire perdue. Elle investit depuis quelques années maintenant dans la fabrication additive céramique.

Les technologies et matériaux aujourd’hui disponibles

Avant tout chose, il est important de rappeler que les procédés d’impression 3D céramique sont nombreux et qu’ils s’appuient sur différentes formes de matériaux aujourd’hui (filaments, poudre, résine, etc.). Sans aller dans le détail de chacun d’entre eux, sachez qu’on retrouvera des technologies de stéréolithographie avec des acteurs comme 3DCeram, mais aussi Lithoz sur la partie DLP, des procédés de liage de poudre avec ExOne, de jet de matière avec XJet ou tout simplement de dépôt de fil où certains acteurs comme Nanoe ont investi dans la production de filaments céramiques adaptés à de nombreuses machines du marché. Selon Romain Faye, l’élément clé avant de se lancer dans quelconque investissement est de « comprendre les avantages et les inconvénients de chaque technologie. Il s’agit en effet d’arriver à anticiper ses besoins en termes de production de pièces, de précision, de rapidité, de design, etc. » Une spécificité qui n’est pas propre à la fabrication additive céramique mais qu’il est bon de repréciser.

Du procédé dépendra du choix du matériau. Plusieurs types de céramique existent actuellement sur le marché, on retiendra trois grandes familles évoquées par Romain Faye : les oxydes, les carbures, les nitrures. Dans la première catégorie on retrouvera les céramiques techniques comme la zircone et l’alumine, mais aussi les phosphates, présentent une haute biocompatibilité et donc plus prisées par le secteur médical. Les carbures et les nitrures présentent quant à eux une excellente résistance aux chocs thermiques et une grande dureté, davantage employées dans des applications haute température. Olivier Greck ajoute : « En fabrication additive, nous pouvons travailler sur l’ensemble des céramiques oxydes (porcelaine, zircone, alumines, composites alumine-zircone, cordiérite) et depuis peu également les non oxydes (carbure et nitrure de silicium) pour couvrir de nouvelles applications qui font appel aux propriétés de résistance à l’usure abrasive, de rigidité ou de super réfractarité. »

fabrication additive céramique

La fabrication additive céramique est très employée dans le médical (crédits photo : Lino3D)

Quels avantages la fabrication additive céramique présente-t-elle ?

Un des bénéfices de l’impression 3D de façon générale est sa capacité à produire des pièces complexes, avec une géométrie qui n’aurait pas pu être obtenue autrement. C’est d’autant plus vrai avec la fabrication additive céramique car les matériaux aujourd’hui employés (dits techniques) sont plus difficiles à mettre en forme de par leur dureté. Vagelis Mavropoulis explique : « L’un des avantages les plus importants de l’impression 3D pour tous les types de matériaux est sa capacité unique à fabriquer des géométries risquées qui sont impossibles à réaliser avec les méthodes traditionnelles. C’est d’autant plus important pour les céramiques, car la fabrication additive fournit également l’excellente qualité nécessaire pour leurs propriétés. Par conséquent, la production de petites séries en céramique sera certainement plus économique et plus efficace. » Un point partagé par Olivier Greck qui explique que la fabrication additive lui permet de concevoir les noyaux d’aubes de turbines très complexes. Une pièce qui n’aurait pas pu être réalisée autrement que par impression 3D.

Au-delà de cette complexité géométrique, la technologie vient apporter de réels gains en termes de délais de production et de coûts, mais aussi de propriétés finales obtenues. Il n’est pas rare que des pièces imprimées en 3D céramique viennent remplacer des composants métalliques ou polymères qui eux-mêmes avaient été choisis non pas pour leurs propriétés mais parce que plus faciles à mettre en forme. Vagelis Mavropoulis poursuit : « En tant que matériau isotrope, très dense et neutre, la céramique commence à se faire une place dans différentes industries pour remplacer les pièces en métal et en plastique. C’est un challenge en soit qui nécessite de développer des compétences spécifiques en impression 3D. » Et c’est là qu’un utilisateur se doit de se former : la fabrication additive céramique nécessite des connaissances solides, à la fois en termes d’impression 3D mais aussi de matériau. Romain Faye explique : « Une entreprise maitrisant la conception de pièce et l’impression de pièce polymère devra prendre en compte les installations nécessaires pour réaliser les traitements thermiques. Pour une entreprise venant du monde des céramiques c’est l’aspect impression 3D qu’elle devra s’approprier. »

fabrication additive céramique

Crédits photo : Nanoe

Les défis à relever

Le traitement thermique, et plus particulièrement la phase de frittage, est justement une étape clé en fabrication additive céramique, étape qui à priori pourrait être l’un des freins à la pleine adoption de la technologie. Oliver Greck déclare : « S’agissant de céramique, le contrôle du retrait au frittage est un paramètre clé de réussite, qui conditionne le niveau de propriétés mécaniques et, qui n’est pas épargné par les techniques de fabrication additive par nature inhomogènes puisque construites par couches successives. Une entreprise qui souhaiterait intégrer la fabrication additive céramique doit prendre un compte ce frittage, c’est un point critique tant en terme de santé matière que d’investissement. » Ce retrait est à considérer dès la phase de conception de la pièce. L’utilisateur devra donc garder à l’esprit que la modélisation 3D joue un rôle très important pour produire des pièces de qualité. Un point que souligne l’expert de Lino3D : « Comprendre les capacités de la technologie et l’adapter à la bonne application tout en ouvrant de nouvelles possibilités qui étaient impossibles avec les méthodes traditionnelles est essentiel. Bien entendu, la connaissance de tous les matériaux disponibles et de leurs propriétés est également un facteur important. De plus, il est vraiment important de comprendre qu’un nouveau type d’approche de conception est nécessaire pour tirer le meilleur parti de la FAO. L’intégration de la technologie elle-même n’est pas si difficile. »

Crédits photo : Lino3D

Les derniers conseils de nos experts pour se lancer dans la fabrication additive céramique

La fabrication additive céramique a de beaux jours devant elle, surtout quand il s’agit d’applications médicales. On le sait, la crise sanitaire a mis en exergue plusieurs faiblesses de nos systèmes actuels, faiblesses qui pourraient en partie être résolues grâce aux technologies 3D. Sur ce point-là, Olivier Greck ajoute : « De réelles opportunités existent en réponse aux exigences croissantes des cahiers des charges des produits qui poussent vers l’usage des matériaux céramiques et vers des géométries spécifiques à la fabrication additive. L’accélération des cycles de conception et le besoin en prototypes de qualité produits rapidement et sans investissement dans des outillages coûteux de mise en forme ouvrent aussi de belles perspectives. Au-delà, dans le domaine médical de prothèses en biocéramiques adaptées à la morphologie unique du patient, la réponse de la fabrication additive céramique est une évidence. »

Romain Faye ajoute : « Zetamix est une excellente solution d’impression 3D céramique car il s’agit d’un investissement réduit (10K euros). De plus Zetamix bénéficie d’une prise en main facile et d’une grande versatilité car la solution est utilisable pour le plastique et le métal. »

Une pièce en céramique imprimée avec le filament Zetamix (crédits photo : Nanoe)

Vagelis Mavropoulis conclut : « N’hésitez pas à commencer à solliciter un service d’impression afin de vérifier la compatibilité des résultats et de pouvoir comparer les différentes solutions. Une fois que l’image est plus claire, il est beaucoup plus simple de passer à l’action et d’acheter un système interne approprié. »

*Crédits photo de couverture : Nanoe

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