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Les métaux sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels et à des fins très diverses.
En dehors de la construction et de l’automobile, les métaux sont principalement utilisés en tant que conducteurs et semi-conducteurs, les revêtements, les composants électroniques ou les boîtiers dans l’électrotechnique.
En particulier dans le Automobile, Médecine ainsi que l’aéronautique et l’aérospatiale les applications sont souvent très spécifiques et nécessitent des structures petites et précises.
Pour les réaliser, des méthodes de fabrication de plus en plus modernes ont été mises au point par le passé, qui ont permis d’obtenir une plus grande précision à moindre coût et de réduire la consommation de matériaux.
Les procédés d’impression 3D constituent une étape importante dans cette évolution.
Procédés d'impression 3D avec des métaux
Frittage direct de métal au laser
Parmi les méthodes d’impression 3D avec des métaux, on trouve principalement le frittage laser direct de métaux (DMLS, également appelé LPBF – Laser Power Bed Fusion), qui est basé sur le procédé de fusion à base de lit de poudre.
Dans ce cas, le métal est présenté sous forme de poudre et est fondu localement et avec précision par une source d’énergie, généralement un laser, afin de créer une structure en 3D.
Dans le cas du CLAD (rechargement par laser ou cladding, également appelé DED – dorect emergy deposition – processus), une poudre de métal est déposée par une buse selon un procédé assez similaire à celui de l’encre d’une véritable imprimante.
Cependant, à la sortie de la buse, la poudre est directement fondue par un laser, ce qui permet d’imprimer presque directement le métal liquide.
Une combinaison de la fabrication additive et de l’usinage additif est la méthode dite de découpe à froid ou de projection à froid.
Ici, de fines particules de métal sont pressées à haute pression à travers une buse fine avec un gaz porteur (généralement de l’hélium), de sorte que celles-ci se déforment plastiquement lors de l’impact sur un substrat et forment ainsi une couche qui peut être directement usinée sans véritable fusion.
Ce procédé est toutefois rarement utilisé en raison de son coût élevé.
Jetting de liant métallique
Il existe également le « Metal Binder Jetting ».
Similaire au procédé de pulverisation du plastique, le métal est mélangé à un liant et collé en une masse homogène.
Ensuite, la pièce verte ainsi obtenue est débarrassée du liant par des processus thermiques, c’est-à-dire par cuisson ou par chauffage au laser, et mise dans sa forme finale.
Modélisation par dépôt de matière fondue
Comme pour le plastique, il existe également la modélisation par dépôt fondu (Fused Deposition Modeling, FDM), dans laquelle un filament métallique (généralement composé de métaux ou d’alliages à faible point de fusion) est simplement chauffé jusqu’à ce qu’il se ramollisse, puis déposé en couches par une buse.
Tous les procédés mentionnés ont en commun le fait qu’ils ne fonctionnent pas avec tous les métaux.
Les métaux les plus courants pour l’impression 3D métallique sont l’aluminium et ses alliages, les aciers et les alliages ferreux, ainsi que des matériaux comme le gallium, l’indium, le titane, le cobalt ou le chrome.
Malgré leur coût relativement élevé, les métaux précieux comme l’or et l’argent sont désormais utilisés.
Cependant, la mise en forme est un peu plus difficile.
Les métaux lourds et les métaux très durs ou à haut point de fusion sont peu ou pas utilisés.
Applications de l'impression 3D métallique
Les applications les plus courantes de l’impression 3D métallique sont principalement le prototypage et la recherche et développement, en particulier lorsqu’il s’agit de produire des pièces individuelles et non des séries.
Dans ce cas, la fabrication d’un moule pour une pièce moulée est souvent très coûteuse et peut être habilement évitée grâce à l’impression 3D.
Les coûts énergétiques économisés par rapport à une pièce moulée ne sont pas non plus négligeables.
Il en va de même pour les économies de matière première métallique, souvent onéreuse.
En outre, les avantages de l’impression 3D avec des métaux sont indéniables, en particulier pour les implants personnalisés dans le domaine médical ou les pièces de rechange de machines spécialement adaptées.
Contrairement à l’impression 3D céramique ou polymère, le frittage de métaux ou l’impression à froid ne permettent pas de réaliser facilement toutes les formes ou structures, car les différents métaux présentent des zones de fusion très différentes et l’application de mélanges ou de couches spécifiques n’est donc pas toujours possible.
Néanmoins, les recherches se poursuivent actuellement sur ces méthodes afin d’offrir à l’avenir des possibilités d’application encore plus flexibles et variées.
Avantages de l'impression 3D avec des métaux :
- pas de construction de moule nécessaire
- Économie de coûts énergétiques
- Économie de matières premières métalliques
- possibilité de fabrication individuelle de pièces uniques
Analyse thermique des métaux d'impression 3D
Les méthodes d’analyse thermique permettent de caractériser les métaux produits en fonction de leurs propriétés et de mettre en évidence les écarts et les différences entre les pièces fabriquées en masse et les pièces imprimées en 3D.
- La DSC permet de déterminer les points de fusion et les transitions de phase, ce qui permet d’optimiser la conception des alliages pour l’impression 3D. (Application de l’acier allié)
- Par le biais de Dilatométrie permet de montrer le comportement de dilatation, ainsi que la dureté et les transitions de phase. (Application avec du fer)
- La conductivité thermique et les propriétés de transport de chaleur, tant des produits durcis que des poudres et alliages, peuvent être facilement caractérisées par les méthodes THB et laser-flash. (Application avec du cuivre et de l’aluminium)
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Et les propriétés thermoélectriques telles que la résistance électrique, la conductivité et également le coefficient Seebeck peuvent également être déterminées avec précision à l’aide des méthodes d’analyse thermique modernes. (Application avec du cuivre)
