Auteur/autrice : Abderazzak Smin

L’un des plus grands obstacles à l’adoption généralisée de l’impression 3D métallique est qu’il existe encore de grandes lacunes dans la compréhension de ce qui arrive au matériau au cours du processus. Plus précisément, il existe peu d’outils qui peuvent montrer ce qu’il advient de la structure interne de différents métaux lorsqu’ils sont fondus puis solidifiés lors de l’impression. Cependant, ce problème pourrait appartenir au passé. L’Institut national des normes et de la technologie (NIST), l’Institut royal de technologie KTH en Suède et d’autres institutions ont annoncé une avancée dans la capacité de prédire et de contrôler les caractéristiques des pièces métalliques imprimées en 3D. Cela pourrait permettre de rendre l’adoption de l’impression 3D métallique plus facile pour la fabrication à grande échelle. Ce n’est pas la première fois que le NIST s’intéresse à l’impression 3D métal. L’année dernière, peu de temps après que l’administration Biden ait lancé l’initiative AM Forward, l’institution a accordé environ 3,7 millions de dollars de subventions pour surmonter les obstacles actuels et futurs à l’adoption de la fabrication additive métallique. Ces projets se sont concentrés sur des sujets tels que la détermination des propriétés des matériaux clés pour le contrôle de la qualité dans le secteur. Se tourner vers le passé pour améliorer l’impression 3D métallique à l’avenir La nouvelle fait suite à une autre annonce de la NASA selon laquelle elle étudierait davantage les moyens d’améliorer la certification et la qualification des pièces métalliques imprimées en 3D. L’impression 3D ne fait que gagner en popularité grâce à ses avantages en termes de réduction des coûts et de déchets. Cependant, les problèmes liés à la qualification et à la cohérence continue des propriétés des pièces ont rendu difficile une adoption encore plus large. Le NIST espère que cette découverte pourrait changer cela, car elle accordera ce qu’ils considèrent comme un niveau de maîtrise sans précédent sur l’impression 3D métallique. Et pour ce faire, ils se sont tournés vers le passé. Les scientifiques savaient que pour garantir les propriétés des matériaux, il fallait mieux comprendre ce qui se passait pendant les taux de fusion et de refroidissement du métal dans le processus d’impression. Plus précisément, ils devaient comprendre comment les vitesses de refroidissement du métal influencent la structure de la pièce. Cependant, cela s’est avéré difficile à faire car la solidification se produit presque instantanément, ce qui rend presque impossible l’investigation. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont utilisé deux accélérateurs de particules différents pour observer la structure interne de l’acier lors de sa fusion puis de sa solidification lors de l’impression 3D. Des rayons X ont ainsi été générés par les accélérateurs de particules du laboratoire national d’Argonne et de l’Institut Paul Scherrer. Ils étaient suffisamment puissants pour capturer des images des processus, en testant le taux de températures allant de dizaines de milliers à plus d’un million de kelvins par seconde. Les chercheurs ont utilisé la diffraction des rayons X à grande vitesse pour identifier les structures qui se forment dans l’acier lors de son impression 3D (crédits photo : H. König et al. via Creative Commons , adapté par N. Hanacek/ NIST ) Ces résultats ont ensuite été comparés à un modèle informatique développé dans les années 80 qui décrit la solidification des alliages. Ce retour vers le passé n’a pas été fait sans raison. Ce modèle est réputé pour prédire les propriétés des matériaux dans les processus de fabrication traditionnels, mais jusqu’à présent, il n’était pas sûr qu’il soit applicable à la fabrication additive métallique compte tenu des changements rapides de température pendant l’impression. Les chercheurs ont alors découvert que ce qu’ils avaient observé était également prédit dans le modèle. Le modèle informatique a été un outil fiable pour la conception de matériaux dans la fabrication traditionnelle et il semble maintenant qu’il pourrait être utilisé pour l’impression 3D. Le communiqué de presse mentionne que le modèle pourrait être utilisé pour informer les scientifiques et les ingénieurs sur les taux de refroidissement nécessaires pour les premières étapes de solidification du processus d’impression. Cela garantira que la structure optimale apparaîtra dans le matériau souhaité, ce qui rendra l’impression 3D métallique plus fiable dans l’ensemble. Le physicien du NIST, Fan Zhang, co-auteur de l’étude, a conclu : « Fondamentalement, si nous pouvons contrôler la microstructure au cours des premières étapes du processus d’impression, nous pouvons alors obtenir les cristaux souhaités et, en fin de compte, déterminer les performances des pièces fabriquées de manière additive. Le modèle et les données expérimentales sont bien en accord. Quand nous avons vu les résultats, nous étions vraiment excités. Si nous avons des données, nous pouvons les utiliser pour valider les modèles. C’est ainsi que vous accélérez l’adoption généralisée de la fabrication additive à usage industriel. Vous pouvez en savoir plus dans le document de recherche publié dans Acta Materialia ICI. Que pensez-vous de cette recherche du NIST ? Pensez-vous que la fabrication additive métallique sera encore plus largement adoptée par l’industrie ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article. *Crédits photo de couverture : Laboratoire de recherche de l’armée CCDC

Le service d’impression 3D Shapeways, un des leaders du secteur, vient d’ajouter un nouveau matériau à sa gamme pour permettre la création d’orthèses et prothèses imprimées en 3D : il s’agit du polyamide 11 (PA11), un des matériaux les plus utilisés dans la technologie de frittage sélectif laser. L’entreprise basée à New York a d’ailleurs annoncé un partenariat avec le fabricant EOS, expert dans ce procédé d’impression 3D. Les deux partenaires espèrent qu’ils pourront ainsi accroître l’accessibilité de la fabrication additive pour les professionnels de la santé. Selon le Wohlers Reports 2019, les matériaux d’impression 3D ont connu une croissance fulgurante l’année dernière – si le rapport met l’accent sur les métaux, il n’en demeure pas moins que les poudres polyamides (ou poudres de nylon dans ce cas) ont eu un franc succès. Leurs propriétés sont en effet intéressantes pour de nombreuses industries : ils présente une haute stabilité dimensionnelle, une très forte résistance thermique et chimique et une faible masse volumique. Shapeways a donc décidé d’ajouter ce matériau à sa gamme, soutenu par le fabricant EOS. Shapeways et EOS, une collaboration de longue date La collaboration entre Shapeways et EOS remonte à 2007 ; l’entreprise allemande était la première à avoir contracté un partenariat avec le service d’impression, fournissant alors plusieurs machines industrielles. Cette fois, Shapeways proposera la solution EOS P 396, compatible avec le PA11 – le service espère ainsi toucher davantage le secteur médical. Greg Kress, CEO de Shapeways, affirme : “Quand nous avons créé la société, nous n’aurions jamais pu imaginer avoir une présence dans le secteur médical. Nous sommes impatients de travailler dans cette industrie médicale et de créer des produits qui changeront le quotidien de certains patients.” Ce nouveau partenariat avec EOS et l’ajout du PA11 devrait permettre d’imprimer en 3D des prothèses, orthèses, semelles intérieures et autres dispositifs médicaux. Notons que le matériau proposé par EOS présenterait un allongement à la rupture plus important, offrant ainsi plus de flexibilité, une caractéristique clé dans la fabrication de dispositifs médicaux. Glynn Fletcher, Président d’EOS Amérique du Nord, poursuit : “Le PA11 peut transformer la manière dont l’industrie médicale utilise l’impression 3D pour améliorer les résultats pour les patients. Il présente en outre l’avantage de réduire les effets écologiques négatifs généralement associés aux plastiques à base de pétrole.” Ce polyamide est en effet obtenu à partir d’un produit bio-sourcé, l’huile de ricin. Shapeways et EOS concluent en expliquant que le nouveau matériau peut également être utilisé dans l’impression 3D de robots, drones ou encore de boîtiers électroniques. Vous pouvez retrouver davantage d’informations. Que pensez-vous de cette nouvelle offre de matériau ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article 

Il existe plusieurs technologies d’impression 3D dans l’industrie, utilisées principalement dans différents secteurs et pour diverses applications. Parmi elles se trouve le frittage sélectif par laser, plus connu sous son acronyme anglais SLS (Selective Laser Sinteting). Comment fonctionne cette technologie ? Quels matériaux peuvent être utilisés ? On vous explique tout ! Le développement du frittage sélectif par laser ou des technologies SLS a débuté dans les années 80 : ce sont les Dr Carl Deckard et Joe Beaman de l’Université du Texas, à Austin aux États-Unis, qui ont développé les bases de la technologie de fusion de poudre. Elles sont compatibles avec une multitude de matériaux, des polymères aux métaux, grâce à l’utilisation d’un laser. Quand on parle de la technologie SLS, on retrouve surtout des polymères plastiques et principalement du nylon. Le développement de cette technologie de frittage de poudre a été brevetée par DTM Corporation, rachetée en 2001 par 3D Systems. D’autres entreprises se sont rapidement spécialisées dans ce processus de fabrication, notamment le chinois Farsoon Technologies en 2009. Notons d’ailleurs qu’un procédé similaire au SLS avait été inventé et breveté en 1979 par R.F Housholder mais n’a jamais été commercialisé. Comment fonctionne le frittage sélectif par laser ou SLS ? Le frittage sélectif par laser permet d’imprimer des objets fonctionnels sans recourir à un liant intermédiaire ou à une éventuelle étape d’assemblage. Avant l’impression, l’objet est conçu à partir d’un logiciel de CAO (CATIA, SolidWorks, ProEngineer par exemple) pour être envoyé à l’imprimante au format numérique. Ensuite, l’impression se fait couche par couche, à partir de poudres frittées, grâce à la température générée par un laser CO2. Afin de démarrer le processus et préparer l’imprimante 3D SLS, le dépôt de poudre et le plateau d’impression sont d’abord chauffés en dessous de la température de fusion du polymère. La première couche de poudre est alors déposée sur le plateau (2). Celle-ci est balayée par le faisceau laser qui provoque le frittage puis la consolidation de la poudre (3). Lorsque la couche est terminée, le plateau s’abaisse et se recouvre de la surface du matériau. Les étapes sont répétées jusqu’à obtenir la pièce solide en 3D identique au fichier CAO d’origine (4). Après impression, les pièces sont complètement enveloppées dans la poudre. Ce bac à poudre doit être refroidi avant de pouvoir être nettoyé et post-traité. Cela peut prendre jusqu’à 12 heures. Par la suite, les pièces sont nettoyées à l’air comprimé ou par un autre moyen de nettoyage et sont prêtes à être utilisées. Les matériaux du frittage sélectif par laser Les technologies de frittage de poudre permettent de fabriquer des objets dans une large gamme de matériaux, bien que, lorsque nous parlons de la technique SLS, nous parlons de polymères plastiques. Le plus commun est le polyamide (PA 12), plus connu sous le nom de Nylon 12. Elle est également compatible avec du polypropylène, de l’alumide, du carbonmide, du PEBA, du PA11 et du PEEK. Il est également possible d’ajouter des fibres aux matériaux tels que les fibres de carbone, de verre ou d’aluminium, améliorant ainsi le comportement mécanique des pièces. La plupart des utilisations initiales de cette technologie ont été liées au développement de prototypes, mais à mesure que les matériaux deviennent de plus en plus résistants et que les prix des imprimantes 3D SLSsont devenus moins chers, on tend vers la production de pièces finales. Acteurs et Développements La technologie SLS est utilisée dans plusieurs domaines, de la conception à l’industrie automobile, en passant par l’aérospatial, l’ingénierie, etc. Il y a quelques années encore, les principaux fabricants d’imprimantes 3D du frittage sélectif par laser étaient 3D Systems et EOS GmbH, principalement spécialisés dans le secteur professionnel. Ce dernier fabricant est le seul à avoir développé des machines SLS capables d’imprimer avec des thermoplastiques hautes performances tels que PEEK. En 2014, le brevet de cette technologie a expiré, ce qui a permis à de nombreux acteurs de se distinguer comme Natural Robotics et sa machine VIT ou Formlabs et sa nouvelle Fuse 1. Il est ainsi possible de démocratiser ces technologies et de les rapprocher d’un plus grand nombre d’utilisateurs. Dans la vidéo suivante, l’équipe Xometry explique en détail un peu plus la technologie SLS : Et vous, utilisez-vous la technologie de frittage sélectif par laser ? Partagez votre opinion en commentaires de l’article.