Impression 3D métal

Dans une économie mondiale de plus de $80 milliards, la fabrication représente une part de 16 % du gâteau, soit un total de $12 000 milliards. L’impression 3D ne représente que 0,1 % de cette part, avec une dépense mondiale de $12,6 milliards. Pourtant, l’impression 3D connaîtra un taux de croissance de 17 % au cours des prochaines années, selon les experts. Cela représente une opportunité considérable pour les entrepreneurs dans le secteur de la fabrication additive (FA).

Cet article se penche sur l’état actuel de l’impression 3D de métal, notamment sur les technologies et matériaux disponibles, avec des ordres d’idées concernant leurs prix.

Malgré des avancées constantes sur ce créneau, l’impression 3D métal est peu propice à la production de pièces finies. Les technologies d’impression 3D métallique sont principalement axées vers la production de prototypes et de gabarits.

L’un des domaines où l’impression 3D métal peut étendre son influence est celui de la résilience de la chaîne d’approvisionnement. Ce besoin s’est clairement manifesté au plus fort de la pandémie COVID-19 en 2020. À l’époque, une enquête a révélé que 73 % des entreprises avaient subi des perturbations de leur chaîne d’approvisionnement. Seulement la moitié d’entre elles avaient mis en place des plans de secours suffisants pour faire face à ces problèmes. 

Xerox, entreprise connue pour ses photocopieuses et imprimantes papier, s’est lancée dans cette même optique avec son imprimante de métal liquide, la ElemX. Cette imprimante utilise du fil métallique comme consommable, un format de matériau peu cher et déjà très répandu dans l’industrie de fabrication globale. L’un de leurs clients, la Naval Postgraduate School (NPS), déploie cette technologie pour produire des compresseurs et moteurs de turbine LMX. Plus généralement, ils testent les moyens permettant aux militaires de devenir plus indépendants des chaînes d’approvisionnement lentes et coûteuses.

Au-delà des redondances de la chaîne d’approvisionnement, d’autres entreprises cherchent à optimiser les coûts et les temps de fabrication. Le but est de faire de l’impression 3D métallique une technologie de production viable pour les pièces d’utilisation finale.

L’une de ces entreprises est Desktop Metal, une société américaine commercialisant des systèmes d’impression 3D métal, des logiciels et des matériaux connexes. Elle produit des pièces pour l’automobile et l’industrie lourde, principalement. Un exemple est un support permettant de fixer un rétroviseur à la cage de retournement d’une voiture de course BMW. Desktop Metal vise à faire entrer l’impression 3D métal dans sa prochaine phase, qu’elle appelle « fabrication additive 2.0 ».

« Nous nous concentrons sur la fabrication additive 2.0 », explique Arjun Aggarwal, chef de produit chez Desktop Metal. « Tout tourne autour de la production en volume de pièces d’utilisation finale. Nous pensons, chez Desktop Metal, que c’est ce qui va faire passer la fabrication additive de 0,1 % à 1 % de la fabrication globale. » 

Certaines entreprises, comme le géant de la chimie BASF, ont créé des filaments métalliques conçus pour les imprimantes à dépôt de filament fondu (FFF ou FDM). Il s’agit d’un moyen abordable d’imprimer du métal dans un environnement de bureau, sur des imprimantes 3D à quelques milliers d’euros.

Le FFF consiste à extruder du filament à travers une buse chauffée, construisant des objets couche par couche. Le filament métallique est essentiellement constitué d’un thermoplastique « liant » chargé en petites particules de métal. Ainsi, les pièces imprimées en 3D sont brutes ; elles sont métalliques à 80 %, les 20 % restants étant du « liant » à éliminer.

Pour ce faire, les impressions brutes doivent subir un processus de déliantage. Il est ensuite nécessaire d’effectuer une étape additionnelle de frittage afin de les densifier. Ces opérations exigent un équipement adéquat et représentent un coût d’investissement supplémentaire. Une autre option consiste à externaliser le déliantage et le frittage.

Dans le même esprit, il existe des résines chargées en poudre métallique. Elles sont destinées à quelques imprimantes 3D à la stéréolithographie (SLA) spécifiques. Les pièces doivent également subir un post-traitement important, à l’image du FFF métallique.

 

L'impression métal est de plus en plus accessible

Si les deux technologies ci-dessus rendent l’impression 3D métal plus accessible que jamais, la plupart des autres systèmes répondent exclusivement à des applications industrielles. Le système Liquid Metal de Xerox est, par exemple, une machine industrielle. Elle introduit du fil de métal, un matériau très accessible, dans une buse en céramique chauffée. Une bobine électromagnétique crée un champ magnétique qui pousse le métal et produit une gouttelette. Le processus est similaire au jet d’encre classique, mais avec des gouttelettes d’aluminium liquide.

Dans le haut de gamme, SLM Solutions propose une imprimante à plus de $500 000, la SLM 500. Celle-ci est célèbre pour avoir produit un étrier de frein en titane pour Bugatti il y a quelques années. Le SLM est catégorisé comme technologie L-PBF (Laser Powder Bed Fusion) ; un laser à haute puissance fait fondre de la poudre métallique. Le L-BPF est la catégorie dominante dans la FA métallique, bien que les fabricants utilisent des noms différents et brevetés, comme EOS avec le DMLS (Direct Metal Laser Sintering).

Certaines technologies industrielles d’impression 3D de métaux n’impliquent pas de fusion. Par exemple, la projection à froid (« Cold Spray ») est une technologie à l’état solide. Une buse à très haute pression projette les particules sur la surface de construction, et la force de l’impact fait adhérer les particules.

Une autre approche sans laser est le Metal Binder Jetting, comme dans la S-Print conçue par ExOne. Un réapprovisionneur dépose et étale de la poudre métallique fraîche sur le lit de poudre. Ensuite, une tête d’impression dépose sélectivement un liant sur la base d’un fichier CAO numérique. Ce processus se répète, la plate-forme de construction s’abaissant à chaque fois, jusqu’à ce que l’objet soit terminé. Les pièces imprimées sont brutes et doivent être frittées. Elles présentent une densité supérieure à 97 %.

Une dernière technologie principale à aborder est le dépôt direct de métal (DMD), un type de technologie de dépôt par énergie directe (DED). Elle sert principalement à réparer des pièces existantes. Tout d’abord, une buse crée un bain de fusion au-dessus d’une surface existante. Ensuite, la buse dépose de la poudre sur la surface avant de la faire fondre à l’aide d’un laser à haute puissance.

L’acier inoxydable, dont l’acier inoxydable 316 L, est un matériau commun disponible en filament et en poudre. Il est résistant à la corrosion et présente de bonnes performances thermiques et mécaniques. Ce métal peut répondre à de nombreux besoins, de la bijouterie aux pièces de moteur en contact avec des fluides.

Une autre option est l’acier maraging, disponible sous forme de poudre ou de filament. L’acier maraging présente une résistance et une dureté élevées, idéales pour les outils, les moules et les conduits. Il possède d’excellentes propriétés mécaniques, un rapport résistance/poids élevé et une bonne résistance à l’usure. Cet acier est toutefois coûteux en raison de ses niveaux élevés d’alliages.

Le titane offre un rapport résistance/poids extrêmement élevé, mais il est également onéreux. Ce matériau offre des débouchés importants dans le domaine médical grâce à sa biocompatibilité. Les hôpitaux utilisent l’impression 3D de titane pour fabriquer des implants rachidiens et des prothèses sur mesure.

L’aluminium, étant léger et offrant de grandes propriétés thermiques, est omniprésent dans les industries automobile et aérospatiale.

Papadakis Racing a aussi récemment utilisé de la poudre d’inconel dans la création d’un collecteur d’air complexe pour sa voiture de course GR Supra. L’inconel est un alliage de nickel présentant une grande durabilité et une résistance à la corrosion, des qualités recherchées dans l’automobile et le nucléaire.

Le cuivre et les alliages de cuivre sont très prisés de manière générale. Il conduit l’électricité et la chaleur, ce qui le rend optimal pour les applications mécaniques et électriques, des échangeurs de chaleur au câblage. Le cuivre possède également des propriétés antibactériennes naturelles.

Un dernier matériau à mentionner est le chrome cobalt. La poudre de chrome de cobalt permet de produire des pièces avec une bonne résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques idéales pour les industries aérospatiale et médicale.

Eric Wooldridge, professeur d’ingénierie dans le Kentucky, estime que la FA métallique à bas coût est la clé du progrès de cette technologie. Selon Wooldridge, « la révolution technologique ne se fait pas du haut vers le bas. Google a commencé dans un garage, eBay a commencé parce que les gens avaient accès à un moyen peu coûteux de se débarrasser de leurs affaires. Les idées révolutionnaires ne sont donc pas le fruit d’un équipement haut de gamme. On obtient la disruption par le faible coût et l’accessibilité. »

En effet, la disponibilité de matériaux comme le filament métallique de BASF permet à presque quiconque de se lancer dans l’impression 3D métallique. Le fait de mettre cette technologie entre les mains d’un plus grand nombre d’esprits créatifs ne fera qu’étendre ses utilisations.

Pour autant, les applications haut de gamme et industrielles continueront d’exister, comme l’étrier de frein de Bugatti ou les expériences de la NPS pour contourner les chaînes d’approvisionnement militaires. 

Une combinaison d’innovations descendantes et ascendantes propulsera probablement la technologie de l’impression 3D métal vers l’avant. Ce qui est clair, c’est que dans une industrie manufacturière qui pèse des milliards de dollars, l’impression 3D de métal a de quoi se développer.