Les métaux pour imprimante 3D

Les métaux constituent la deuxième grande famille de matériaux actuellement utilisés en impression 3D. Aluminium, titane, acier inoxydable, cobalt, fer, mais aussi bronze, or et argent sont compatibles. Les recherches avancent à grands pas dans ce domaine et il est désormais possible de produire des pièces aux propriétés physiques plus intéressantes que celles réali- sées avec la fabrication soustractive traditionnelle. Des chercheurs ont par exemple développé une technique qui permet de modifier jusqu’à la structure atomique même du métal utilisé, créant ainsi un métal se solidifiant plus rapidement et plus uniformément lors de son passage à l’impression !

L’ALUMINIUM ET SES ALLIAGES

L’ aluminium utilisé en impression 3D par le constructeur EOS, AlSi10Mg, est un alliage classique qui autorise des moulages fins et des géométries complexes. Il contient du silicium et du magnésium, ce qui le rend extrêmement solide et capable de supporter de fortes charges. Très léger et résistant bien à la chaleur, ce matériau est notamment employé sur les moteurs de course et dans l’aérospatiale.

LE COBALT-CHROME ET SES ALLIAGES

Les alliages à base de cobalt, et en particulier le cobalt-chrome, sont utilisés depuis longtemps par les procédés de moulage à cire perdue. Désormais, ils peuvent être employés en fabrication additive, notamment grâce à la technique EBM. Alors que la majorité des moulages sont effectués à l’air libre, cette technique présente l’intérêt de créer des pièces sous vide, ce qui offre un meilleur contrôle de l’environnement de production et permet de réaliser des objets de meilleure qualité.

Le CoCrMo est l’alliage de cobalt-chrome le plus utilisé dans la réalisation de prothèses médicales, telles que des implants de genoux, des jointures de hanches ou encore des couronnes dentaires. Extrêmement rigide, il possède un état de surface très lisse tout en étant très résistant à l’usure.

Le constructeur suédois d’impression 3D Arcam propose ainsi l’ASTM F75, un alliage de cobalt-chrome non aimanté, très solide et résistant à la corrosion et à l’usure. Ces propriétés le rendent particulièrement adapté à la fabrication de tiges fémorales (remplacement de hanche).

Cet alliage est également employé pour réaliser de l’outillage et des moules servant à la production de pièces en plastique. Il peut être poli jusqu’à obtenir un effet miroir, assurant une longue vie à l’outil. La taille des particules de ASTM F75 est comprise entre 45 et 100 μm. Le fabricant EOS commercialise des alliages combinant cobalt, chrome et molybdène, appelés CobaltChrome MP1 et SP2. Ils se démarquent par leurs excellentes propriétés mécaniques (solidité, dureté), ainsi que par une bonne résistance à la corrosion et à la chaleur (jusqu’à 600 °C). Ces alliages sont couramment utilisés pour des applications biomédicales (implants dentaires) et pour l’ingénierie à haute température (turbines, aérospatiale). Le matériau SP2, plus spécifiquement employé dans l’industrie dentaire, est certifié biocompatible et respecte les normes CE.

L’ACIER INOXYDABLE

L’ acier a été le premier métal disponible commercialement pour la fabrication additive. Certains acteurs de l’impression 3D, comme ProMetal, ExOne et bien d’autres, se sont spécialisés dans le type inoxydable de ce matériau, plus communément appelé inox. Le constructeur EOS propose ainsi deux types d’ aciers inoxydables, GP1 et PH1, qui présentent de bonnes propriétés mécaniques, notamment une forte malléabilité lors du passage du laser.

L’ACIER D’OUTILLAGE MARAGING

Résistant à la rupture, ce type d’acier est principalement utilisé pour fabriquer de l’outillage rapide et des moules. Le Maraging Steel MS1 d’ EOS est un acier martensitique, dont les pièces sont facilement usinables après impression 3D et peuvent être renforcées à plus de 50 HRC (sur l’échelle C de dureté Rockwell). Elles supportent également très bien le polissage.

LE TITANE ET SES ALLIAGES

Le titane et ses alliages se caractérisent par leur excellente solidité, un faible poids et une résistance à la corrosion hors du commun. C’est pour ces raisons que l’on retrouve ce métal dans beaucoup de domaines d’exigence comme la chirurgie, la médecine, l’aérospatiale, l’ automobile, l’ industrie chimique, l’alimentation électrique, l’extraction de pétrole ou de gaz…

Cependant, les techniques traditionnelles de fabrication en titane s’avèrent complexes et coûteuses. Ce métal est en effet difficile à travailler car il durcit rapidement, ce qui nécessite des outils de haut niveau. Par ailleurs, il est souvent contaminé par des impuretés durant la phase de soudure, qui risquent de le fragiliser. C’est pourquoi l’impression 3D apparaît aujourd’hui comme la meilleure technologie existante pour réaliser des pièces en titane, car elle permet de travailler le métal sans contraintes et d’éviter la phase risquée de soudure.

Il faut noter que les alliages à base de titane sont plus solides que le matériau pur. L’alliage Ti6Al4V est le plus courant, notamment dans l’aérospatiale, l’ industrie automobile et la marine. Il possède de très bonnes qualités générales, tant au niveau de ses propriétés mécaniques que de son comportement durant la phase de fabrication. En particulier, il permet de réduire considérablement le poids des installations. Cet alliage biocompatible est aussi très utilisé dans l’industrie médicale, car il offre une excellente adhérence aux tissus et aux os lorsqu’ils sont en contact direct. Tout comme EOS, le fabricant Arcam propose l’alliage Ti6Al4V (Grade 5) en poudre de particules comprises entre 45 et 100 μm, ainsi que le Ti6Al4V ELI et le titane Grade 2.

LES MÉTAUX PRÉCIEUX

L’argent, l’or, le bronze et le platine sont des métaux qui peuvent être utilisés en fabrication additive. On les coule dans un moule préalablement imprimé à cire perdue, une technique très courante dans le domaine de la bijouterie de luxe.

De gauche à droite : bague en argent poli, très poli, sablage et satinage. (Source : i.materialise)

L’ argent est un métal très malléable qui conduit très bien l’électricité et la chaleur. Lorsqu’il est poli, l’objet obtenu peut être particulièrement brillant. La finition s’effectue généralement à la main, d’autant plus que les objets imprimés en argent sont souvent de petite ou très petite taille. Sans finition, ils peuvent présenter un aspect assez rugueux et inégal (les lignes d’impression seront souvent visibles, par exemple).

Il convient d’éviter des creux trop profonds ou des repoussés trop grands. En effet, les gravures trop profondes sont généralement problématiques au moment de la création du moule. Quant aux repoussés, ils peuvent provoquer des cassures lors de la production de l’objet en argent. Il est donc recommandé d’éviter les formes trop fines et de respecter une épaisseur minimale de 0,8 mm pour les « murs » (les parois de l’objet). S’il s’agit d’une bague, l’épaisseur de l’anneau doit être d’au moins 1 mm, sinon il risquerait de se déformer rapidement, l’ argent étant un matériau relativement souple.

L’impression d’objets en or répond au même procédé que l’argent. L’or fondu est coulé dans un moule imprimé en cire, puis poli manuellement. Il peut prendre différentes nuances : jaune vif, légèrement rose ou blanc.