27 Kann 2015 | La Revue POLYTECHNIQUE 03/2015 | Fabrikautomatisierung

Impression 3D d’objets métalliques

Du nouveau grâce à l’impression de métal 3D: la fabrication de pièces métalliques avec des imprimantes 3D est en plein essor. Elle permet de produire des formes très complexes avec moins de déchets et de façon plus rentable.

Le temps est révolu où les imprimantes 3D n’étaient que les jouets de bricoleurs créatifs ou les chouchous de développeurs pour fabriquer des prototypes. Des produits prêts à l’emploi sont désormais fabriqués en petites séries avec la même imprimante, par exemple des pièces mécaniques complexes ou des implants médicaux. Il existe déjà des imprimantes 3D de la taille d’une armoire qui impriment avec des métaux au lieu de plastiques. «La technique de ces imprimantes n’est pas entièrement nouvelle», explique Andreas Mortensen, professeur au laboratoire de métallurgie mécanique de l’EPFL à Lausanne. Il y a plusieurs années, des premières pièces en alliages métalliques ont été imprimées à l’EPFL. «Depuis lors, l’évolution de cette technique a été fulgurante», explique Andreas Mortensen, qui ajoute: «Aujourd’hui, les imprimantes 3D peuvent servir plus largement à la fabrication de pièces métalliques».

Un point de fusion plus élevé augmente la complexité

Les processus les plus courants de l’impression 3D en métal sont le frittage et la fusion par laser. Dans une mince couche de poudre, seules les parties métalliques donnant au final la forme de l’objet souhaité sont fondues ou frittées par faisceau laser. Ce processus est réitéré avec d’autres couches de poudre jusqu’à ce que l’objet souhaité soit entièrement constitué. L’excès de poudre métallique est enlevé à la fin. Ce processus permet d’imprimer quasiment tous types de métaux. Toutefois, plus le point de frittage ou de fusion d’un métal est élevé, plus il faut d’énergie pour l’impression et plus le processus est complexe.

«Les grands défis en matière d’impression 3D métallurgique sont la qualité des pièces métalliques et la qualité des surfaces», fait remarquer Andreas Mortensen. Les surfaces sont toujours légèrement rugueuses en raison des centaines de fines couches de poudre empilées. Parfois, les matériaux eux-mêmes posent problème: par exemple, la poudre de magnésium peut s’enflammer sous l’effet de la chaleur, et l’alumine qui se forme à la surface des fins copeaux d’aluminium empêche la fusion ou le frittage du matériau. Résultat: des pièces en aluminium défectueuses.

Nouvelles structures et multi-matériaux

Malgré tout, beaucoup de choses sont déjà réalisables aujourd’hui, par exemple la fabrication d’implants de genou prêts à l’emploi. Ceux-ci doivent être robustes: nous plions nos genoux chaque jour jusqu’à 1500 fois et, pour monter des escaliers, nous supportons jusqu’à cinq fois notre poids. Le gros avantage de ces implants imprimés est qu’ils sont adaptés sur mesure au corps du patient. Chaque impression est une pièce unique, ce qui serait beaucoup trop onéreux avec les processus de fabrication traditionnels d’usinage sur machines-outils. Autre avantage: la liberté de conception. «Aujourd’hui, nous pouvons imprimer en peu de temps des structures métalliques qui seraient très complexes à fabriquer avec des procédés traditionnels tels que le coulage», explique Andreas Mortensen. Par exemple, le titane, qui est très poreux et qui ressemble à une éponge, est utilisé comme greffe osseuse. La structure permet au tissu osseux de grandir dans l’os artificiel et d’accélérer ainsi la guérison.

De plus, l’utilisation de différentes poudres métalliques dans l’impression 3D permet de produire des «multi-matériaux». Autrement dit, des objets qui se composent aussi bien d’aluminium que de titane. La fabrication additive est de plus économique et écologique. En effet, avec l’impression 3D, il n’y a pas de copeaux ou autres déchets provenant d’une ébauche métallique lors du fraisage ou du meulage. Le poids de ces déchets pouvant par ailleurs être dix fois supérieur au poids final du produit. Un argument décisif pour les entreprises, en particulier pour des métaux exclusifs et onéreux tels que le titane, le tantale et le vanadium.

Dans l’espace avec l’imprimante 3D

Le projet «AMAZE» vise à faire encore avancer l’impression 3D de métaux. Idéalement jusque dans l’espace. Selon l’Agence spatiale européenne (ASE), les astronautes utiliseront à l’avenir des imprimantes 3D dans l’espace pour imprimer eux-mêmes leurs pièces de rechange et outils, ce qui leur évitera d’emmener des pièces de rechange encombrantes et coûteuses de la Terre. Les objectifs du projet «AMAZE» ne sont pas modestes: l’association européenne regroupant 28 entreprises et hautes écoles veut fabriquer les meilleures pièces métalliques de tous les temps grâce aux imprimantes 3D. Celles-ci seront utilisées notamment dans le domaine aérospatial, les avions et les réacteurs à fusion. Des petites pièces seront imprimées, mais également, selon les chercheurs d’«AMAZE», jusqu’à des composants d’ailes d’avions pouvant mesurer deux mètres et même un jour, des satellites complets. Le laboratoire de métallurgie mécanique de l’EPFL est une institution partenaire d’«AMAZE». Il teste actuellement les propriétés des métaux imprimés.

Source:

SATW – Technoscope 3/14

www.satw.ch/technoscope

Visualisation d’une base lunaire multi-dômes en construction: après le montage, les dômes gonflés sont recouverts d’une couche de régolithe lunaire imprimée en 3D par des robots pour protéger les occupants contre les rayonnements cosmiques et les micrométéorites. (Photo ESA/Foster + Partners)

Structure légère réalisée en impression 3D.(Photo ESA-N. Vicente)

Vanne en titane. A gauche, vanne «Wow» originale. A droite, réplique réalisée avec une imprimante 3D. (Photo ESA)

Gros plan sur une sphère en grille perforée en titane, réalisée par impression 3D.(Photo ESA)