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Comment les laboratoires et centres de recherche bénéficient-ils de l’impression 3D céramique ?

Publié le 20 septembre 2021 par Mélanie W.
zetamix

En 2018, la société française Nanoe a lancé son offre de matériaux pour la fabrication additive : baptisée Zetamix, celle-ci propose des filaments céramique et métallique pour les procédés d’extrusion (FFF). Elle facilite ainsi la création de pièces sur-mesure céramique et métal pour les professionnels et les industriels. Aujourd’hui, de nombreux laboratoires de recherche utilisent plus spécifiquement ces matériaux céramiques que ce soit pour concevoir des porte-échantillons, des composants de souffleurs de gaz ou encore des creusets. L’impression 3D céramique leur offre davantage de liberté en termes de design tout en conservant les propriétés thermiques et chimiques nécessaires.

Nous avons justement rencontré trois centres de recherche français pour comprendre la valeur ajoutée de la fabrication additive céramique et des filaments Zetamix : réduction des délais de production, diminution des coûts, conception personnalisée, les avantages sont multiples. Le Laboratoire des Procédés Céramiques et Procédés Associés (LMPCA) étudie les céramiques techniques pour des applications biomédicales, électriques et électroniques, que ce soit de leur élaboration à leur caractérisation. Les matériaux Zetamix font partie de cette étude et sont aussi utilisés pour fabriquer différents outils. Le deuxième laboratoire est l’ESFR, un centre de recherche international qui s’intéresse à la structure des matériaux avec une résolution atomique. Enfin, le centre des matériaux des Mines Paris Tech cherche à comprendre l’influence des procédés de fabrication sur les propriétés des matériaux.

Des creusets imprimés en 3D avec les filaments Zetamix (crédits photo : Zetamix)

La création de pièces en céramique technique sur-mesure

Les expériences réalisées dans les centres de recherche font appel à divers équipements et outils qui répondent le plus souvent à des besoins très spécifiques. Il faut alors fabriquer des pièces sur-mesure qui assurent le bon déroulement de l’expérience. Or, la plupart du temps, ces laboratoires spécialisés ont besoin de porte-échantillons et autres outils qui résistent à la chaleur ou possèdent des propriétés chimiques bien précises.

A l’ESRF par exemple, les scientifiques travaillent avec un synchrotron, un instrument électromagnétique qui permet d’accélérer à haute énergie des particules élémentaires. Des équipes de recherche viennent de toute l’Europe pour analyser des échantillons grâce à cet équipement. Ces travaux nécessitent des pièces résistantes mécaniquement et aux températures extrêmes, mais surtout des pièces sur mesures adaptées aux différents échantillons et aux conditions requises par chaque équipe de recherche. En effet, l’utilisation du synchrotron est très régulée, le temps de faisceau étant précieux. Certains scientifiques préparent leurs expériences un an à l’avance et ne peuvent pas se permettre de perdre du temps avec un équipement défectueux. C’est là que l’impression 3D a un rôle à jouer – sa rapidité d’exécution et les multiples itérations offertes en font une méthode de fabrication idéale dans de telles situations. Les équipes sont désormais capables de concevoir, imprimer, fritter et tester des pièces sur-mesure en seulement 32 heures. Si certaines pièces sont imprimées en 3D avec du plastique sur une Prusa ou usinées en métal, d’autres doivent être plus résistantes à la chaleur. Un grand nombre d’expérience sont en effet menées en faisant varier la température, de -270°C jusqu’à 1 200 °C : le recours aux filaments Zetamix est alors une solution idéale.

L’ESRF imprime différents outils en céramique sur son imprimante 3D FFF ; de gauche à droite : cartouches chauffantes micro-four et pièce de fixation

En effet, les matériaux céramiques Zetamix sont compatibles avec des imprimantes 3D FFF classiques, facilitant considérablement le processus de fabrication. Après les étapes de déliantage et de frittage, on obtient une pièce technique sur-mesure qui offre une bonne isolation thermique, résistante à des températures jusqu’à 1 600°C et avec une densité élevée, le tout à un coût réduit. Les laboratoires peuvent ainsi multiplier les itérations et les expérimentations et imaginer des designs plus complexes.

A gauche : cartouche chauffante faite sur mesure par L’ESRF durant utilisation ; à droite porte échantillon et cartouche chauffante

Améliorer la qualité des expérimentations grâce à Zetamix

Le centre des matériaux des Mines Paris Tech a investi depuis quelque temps dans des imprimantes 3D et un four de frittage afin de multiplier les expériences possibles et améliorer leur qualité en interne. Il réalise différentes études pour comprendre l’impact des méthodes de fabrication sur les propriétés des matériaux. De nombreux tests sont alors effectués (traction, résistance à la chaleur, etc.) qui nécessitent des porte-échantillons spécifiques. Grâce à l’impression 3D FDM, les chercheurs conçoivent des pièces céramiques plus techniques – ils ont ainsi imprimé en 3D un support en alumine pour faire des recuit d’éprouvettes métalliques fabriquées par fusion laser ou par liage de poudre. Ce support permet de faire un recuit des éprouvettes de traction avant essai mécanique. Zetamix est la seule solution qui permet d’obtenir un support en alumine résistant aux températures et un design circulaire indispensable à une meilleur répartition des pièces dans le four, améliorant donc la qualité des recuits.

Du côté de l’ESRF, le constat est similaire : la fabrication additive céramique, et plus particulièrement avec les matériaux Zetamix, facilite la création de designs inédits à des coûts relativement faibles. Carlos Cosculuella et Yves Watier de l’ESRF précisent : « Nous travaillons actuellement sur des conceptions beaucoup plus complexes, pour un contrôle total de l’environnement à l’aide de Zetamix. Par exemple, nous avons le projet de produire un microfour refroidi à l’eau, avec des canaux internes pour le refroidissement, les réactifs et la mesure de la température. Ce type de pièce n’est pas encore prêt, mais lorsqu’il le sera, il améliorera considérablement la qualité de l’analyse pour certaines expériences spécifiques. Et bien sûr, cela ne pourrait être fait avec aucune autre technologie. »

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3 supports pour recuit d’éprouvette en métal imprimés en 3D par les Mines Paris Tech

Une meilleure gestion de la chaîne d’approvisionnement

Utiliser la fabrication additive céramique permet également aux laboratoires de mieux gérer leurs stocks et leur chaîne d’approvisionnement. Grâce à la solution Zetamix, le LMPCA imprime en 3D des creusets pour effectuer ses analyses thermogravimétriques. Celles-ci permettent de mesurer la perte de masse d’un matériau de façon continue pendant le frittage. Ce matériau est généralement placé dans un creuset, une petite pièce onéreuse à produire car elle est en alumine afin de résister à de hautes températures. Ces creusets sont généralement à usage unique car pollués par le matériau étudié. Le laboratoire doit donc gérer précisément ses stocks pour éviter les interruptions de tests. C’est pourquoi il les imprime en 3D : cela lui permet de réduire les coûts de fabrication et de produire les quantités nécessaires au bon moment.

Enfin, le LMPCA s’appuie sur les filaments Zetamix pour produire des consommables utilisés sur ses dilatomètres. Ce sont des appareils qui permettent de mesurer la température de frittage de la céramique ; grâce à un palpeur de contact, ils peuvent calculer le retrait d’une pièce en temps réel. Or lors du cycle de frittage, ce palpeur ainsi que le porte-échantillon sont susceptibles de se déformer voire de se casser, risquant de fausser les mesures. Le laboratoire a donc misé sur l’impression 3D céramique pour fabriquer ces pièces en interne ce qui leur permet de mieux gérer les flux et les stocks mais aussi de concevoir des pièces sur-mesure pour des besoins très spécifiques.

En premier plan, des consommables pour dilatométrie traditionnels ; en arrière blanc, des consommables imprimés en 3D (crédits photo : Zetamix)

La fabrication additive céramique offre donc davantage de flexibilité et d’agilité aux laboratoires spécialisés et aux centres de recherche. Les matériaux Zetamix s’inscrivent dans cette logique tout en proposant les bonnes caractéristiques mécaniques et chimiques. Vous pouvez retrouver davantage d’informations sur le site de Zetamix.

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