L'impression 3D métallique utilise des poudres, des fils et des alliages liquides spécialisés pour produire des pièces complexes sur mesure. Cette présentation couvre les aciers inoxydables, les alliages d’aluminium, les alliages de titane, les alliages à base de nickel et de cobalt, les alliages de cuivre et les métaux liquides à base de gallium. Elle identifie des nuances représentatives telles que le 316L, le 17-4PH, AlSi10Mg, Ti6Al4V, Inconel 718 et CoCr28Mo6, et explique comment la conductivité, la résistance mécanique, la résistance à la corrosion, la biocompatibilité, l’absorption laser et les performances à haute température influencent les applications dans l’aérospatiale, la médecine, la construction automobile, l’électronique et les équipements industriels. L’article conserve les conditions de procédé, les unités, les nuances de matériaux et les relations techniques indiquées par la source, à des fins de référence pratique.
Les métaux sont des matériaux qui présentent une bonne conductivité électrique, une bonne conductivité thermique et une bonne plasticité. Ils sont généralement composés d’éléments métalliques ou d’alliages et offrent une résistance mécanique, une dureté et une résistance à la corrosion élevées. Les métaux sont utilisés dans l'ensemble des secteurs de la fabrication industrielle, de la construction, de l'électronique et de l'aérospatiale. Leurs propriétés physiques, chimiques et de mise en œuvre leur confèrent une importance non seulement dans la fabrication traditionnelle, mais aussi dans l'impression 3D métallique.
Les métaux actuellement utilisés dans l'impression 3D comprennent l'acier inoxydable, les alliages de titane, les alliages d'aluminium, les alliages de nickel, les alliages de cuivre et les alliages de fer. Ces matériaux présentent généralement une résistance et une dureté élevées et sont souvent difficiles à usiner de manière conventionnelle, ce qui rend la fabrication additive particulièrement intéressante. Les poudres métalliques destinées à l'impression 3D doivent normalement présenter une grande pureté, une bonne sphéricité, une distribution granulométrique étroite et une faible teneur en oxygène. Des procédés tels que la fusion sélective au laser et la fusion par faisceau d'électrons permettent de produire rapidement des pièces métalliques sur mesure aux formes complexes.
L'acier inoxydable est composé de fer, de chrome, de nickel et d'autres éléments d'alliage, le chrome constituant le principal élément d'alliage. Il offre une bonne soudabilité, une bonne résistance à la corrosion chimique, une résistance aux hautes températures, de bonnes performances mécaniques ainsi que des propriétés hygiéniques adaptées au contact avec les produits alimentaires et pharmaceutiques. La poudre d'acier inoxydable se forme facilement, est simple à préparer et relativement peu coûteuse, ce qui en fait l'un des premiers métaux utilisés dans l'impression 3D.
Parmi les applications, on peut citer les pièces structurelles et porteuses, les tuyaux, les cuves, les portes, les fenêtres, les garde-corps, les produits décoratifs, les équipements agroalimentaires, les dispositifs médicaux et les équipements chimiques. Les nuances d'acier inoxydable couramment utilisées dans l'impression 3D métallique comprennent les nuances austénitiques 316L et 304L, ainsi que les nuances martensitiques à durcissement par précipitation 15-5PH et 17-4PH.
Les alliages d'aluminium associent l'aluminium à des éléments tels que le cuivre, le zinc et le magnésium. Leurs propriétés spécifiques dépendent des types et des quantités d'éléments d'alliage ajoutés. Les alliages d'aluminium se caractérisent par une faible densité, une résistance spécifique et une rigidité élevées, une bonne coulabilité et une bonne plasticité, une bonne résistance à la corrosion, ainsi qu'une résistance à la fatigue relativement élevée. Ils sont largement utilisés dans l'aérospatiale, les transports, la construction, les produits électromécaniques, l'industrie légère et les biens de consommation.
Les alliages d'aluminium utilisés dans l'impression 3D métallique comprennent notamment l'AlSi12, l'AlSi10Mg, l'AlSi7Mg, l'Al-Si9Cu3, le 6060 et le 6061. L'AlSi12 est une poudre légère dotée de bonnes propriétés thermiques ; elle convient aux pièces aérospatiales et automobiles à parois minces, telles que les échangeurs de chaleur. L'AlSi10Mg offre une résistance et une dureté élevées pour les pièces à parois minces et les géométries complexes, en particulier lorsque de bonnes performances thermiques et une faible masse sont requises.
Les alliages de titane allient une résistance élevée à une faible densité, une bonne ténacité, une bonne résistance à la corrosion et une bonne biocompatibilité. Ils jouent un rôle important dans les applications médicales, aérospatiales et automobiles. Le titane est un matériau typiquement difficile à usiner : il se coupe mal et absorbe facilement l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le carbone lors des traitements à chaud. L'impression 3D métallique est particulièrement adaptée, car elle permet de former des structures complexes tout en conservant des propriétés mécaniques utiles. Son atmosphère protectrice limite les réactions avec l'oxygène et l'azote, tandis que le chauffage et le refroidissement rapides et localisés limitent l'évaporation des éléments d'alliage.
Les matériaux en titane actuellement utilisés pour l'impression 3D comprennent le titane commercialement pur, le Ti6Al4V (TC4) et le Ti6Al17Nb. Leurs principales applications concernent les composants aérospatiaux et les implants médicaux, tels que les os et les dents.
Les alliages à base de nickel conservent une résistance mécanique élevée ainsi qu’une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion entre 650 et 1 000 °C. Leurs propriétés mécaniques et leur résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud les rendent adaptés à une utilisation à haute température et sous forte contrainte. Les alliages de nickel fabriqués par impression 3D peuvent être utilisés pour les composants de la partie chaude des moteurs aéronautiques, tels que les disques et les aubes de turbine, améliorant ainsi la stabilité et le rendement thermique du moteur. Un alliage à base de nickel contenant du titane 50% en masse présente un fort effet de mémoire de forme et est utilisé pour les structures de véhicules spatiaux et les moteurs de cœurs artificiels. Parmi les superalliages de nickel éprouvés pour l’impression 3D, on trouve l’Inconel 625 (IN625), l’Inconel 718 (IN718) et l’Inconel 939 (IN939).
Les alliages à base de cobalt contiennent du cobalt comme élément principal, ainsi que du nickel, du chrome, du tungstène et de faibles quantités de molybdène, de niobium, de tantale, de titane, de lanthane et d’autres additifs. Leur haute résistance mécanique, leur résistance à la corrosion et leur biocompatibilité ont conduit à leur utilisation précoce dans les prothèses articulaires. Ils sont aujourd’hui largement utilisés pour les prothèses dentaires sur mesure et les composants de moteurs. Les nuances couramment utilisées pour l’impression 3D comprennent le Co212, le Co452, le Co502 et le CoCr28Mo6.
Les alliages de cuivre ont le cuivre comme élément de base. Le cuivre possédant des propriétés antimicrobiennes, ces alliages sont utilisés dans les équipements médicaux et les produits fréquemment manipulés, tels que les poignées de porte dans les lieux publics. La poudre de cuivre présente une réflectivité laser élevée et une faible absorptivité, ce qui a longtemps fait d’elle un matériau difficile à imprimer. Ces dernières années, cependant, de nombreuses entreprises ont réussi à mettre au point l’impression 3D d’alliages de cuivre. Les matériaux disponibles comprennent les poudres d’alliages de cuivre, les composites à matrice de cuivre et les fils d’alliages de cuivre.
Les métaux liquides utilisés dans l'impression 3D sont généralement des alliages de gallium et d'indium non toxiques qui restent liquides à température ambiante, notamment les alliages de gallium-indium et de gallium-indium-étain. Leur surface se solidifie au contact de l'air, tandis que leur intérieur reste liquide. Leur conductivité électrique permet d'imprimer des circuits imprimés en métal liquide.
En 2017, le Laboratoire de cryogénie et de sciences médicales de l’Institut technique de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences a proposé un procédé d’impression 3D à base de métal liquide en suspension. Ce procédé utilise un alliage liquide de gallium et d’indium comme matériau d’impression et un hydrogel autodurcissant comme support. Une buse extrude en continu du métal liquide à température ambiante, tandis que l'hydrogel le soutient et en fixe la forme. Le dépôt couche par couche permet de créer des structures métalliques tridimensionnelles très complexes et flexibles. Parmi les applications potentielles figurent l'électronique 3D flexible, l'assemblage de robots souples, l'encapsulation de matériaux et la biomédecine.
L'or, l'argent, le niobium, le zirconium, les alliages de magnésium et d'autres métaux peuvent également être imprimés en 3D.
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