Avec le développement continu de la fabrication additive, entreprises et chercheurs ont mis au point diverses sous-technologies, modules complémentaires et méthodes d'optimisation des impressions. Cependant, l'optimisation du matériau utilisé constitue un autre moyen d'obtenir un objet optimisé. Ceci a permis la création de divers matériaux spécialement conçus pour l'impression 3D, présentant tous des propriétés idéales obtenues grâce à un contrôle précis.
Certains de ces matériaux ont été conçus spécifiquement pour l'impression 3D et confèrent ainsi à cette technologie des caractéristiques et des fonctionnalités inédites. Voici quelques-uns des matériaux les plus prometteurs :
Scalmalloy
Crédit photo : Beamler
Présenté comme le premier matériau original spécifiquement conçu pour l'impression 3D, ce mélange de scandium (SC), d'aluminium (AL) et de magnésium (M) est un alliage unique. Initialement développé et breveté par APWorks , filiale du groupe Airbus, ce matériau d'impression métallique présente des caractéristiques uniques, notamment une résistance accrue (principalement due à la présence de scandium).
En termes de résistance, il surpasse l'aluminium traditionnel et nombre de ses alliages dérivés. Il est même plus résistant que le titane, tout en étant léger et résistant à la corrosion. Bien entendu, sa fabrication peut s'avérer coûteuse car il contient du scandium, un métal rare dont l'extraction est onéreuse. Le prix du scandium oscille entre 4 000 et 20 000 dollars américains le kilogramme, les principaux gisements se situant en Chine et en Russie.
Le Scalmalloy est particulièrement adapté à la fabrication de pièces à haute résistance et longue durée de vie. C'est pourquoi il est de plus en plus utilisé dans l'industrie automobile et la robotique, notamment pour la composition d'échangeurs de chaleur. Comme on peut s'y attendre, le Scalmalloy joue également un rôle essentiel dans son secteur d'origine : l'aérospatiale.
Matériaux SLM de nouvelle génération
Crédit photo : TU Graz
Ce métal provient de l'Université technique de Graz ( Autriche ), qui a utilisé un mélange de nitrure de silicium pour développer un acier inoxydable dédié à la fabrication additive métallique. Ces matériaux, appelés matériaux SLM de nouvelle génération, présentent des réactions mieux contrôlées lors de leur formation, ce qui permet d'obtenir un meilleur état de surface et de minimiser le besoin de supports. L'acier inoxydable 316L est l'un des matériaux les plus courants, utilisé dans de nombreux secteurs industriels à travers le monde. Sa version de nouvelle génération offre des caractéristiques améliorées, notamment pour l'impression par fusion laser sélective (SLM).
Les chercheurs ont testé différentes versions d'un alliage d'acier inoxydable modifié, composé de plusieurs mélanges. En évaluant les propriétés mécaniques et la porosité d'autres matériaux, ils ont conclu que les distorsions lors du frittage pouvaient être réduites grâce à un contrôle rigoureux des teneurs en nitrure de silicium et en bore. Ils ont publié ces résultats dans l'article scientifique intitulé « Amélioration de la stabilité dimensionnelle et des propriétés mécaniques des frittés AISI 316L + B par l'ajout de Si3N4 ».
Les borures, en augmentant la densité du fritté, s'incorporent mal aux matériaux à base de fer. Il peut en résulter la formation de couches indésirables autour des particules. Le nitrure de silicium atténue ce phénomène et permet d'obtenir un meilleur état de surface. Les chercheurs ont modifié la poudre métallique afin d'améliorer non seulement ses propriétés mécaniques et d'utilisation finale, mais aussi de réduire le nombre de structures de support nécessaires aux matériaux SLM de nouvelle génération. Ainsi, l'acier inoxydable modifié peut être encore plus léger que les impressions métalliques conventionnelles.
Actuellement, les chercheurs travaillent à la commercialisation de ce matériau. Ils poursuivent également leurs recherches afin d'identifier d'autres matériaux présentant des avantages similaires. Leurs travaux ont été remarqués et ils collaborent avec un programme de bourses de recherche pour créer leur entreprise.
Alliage d'aluminium haute résistance imprimé en 3D
https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg
Inventé par les laboratoires HRL, cet alliage d'aluminium a récemment été commercialisé et enregistré par l'Association de l'aluminium. Fabriqué par impression 3D, cet aluminium haute résistance constitue également la première marque d'enregistrement d'un tel alliage par l'Association de l'aluminium. La poudre d'aluminium a reçu le numéro 7A77.50 et l'alliage imprimé, le numéro 7A77.60L.
Ce matériau était également particulier car il marquait le lancement du nouveau système d'enregistrement des alliages additifs de l'association en février 2019. Ce système découlait directement de l'apparition de nombreux nouveaux matériaux grâce aux capacités de la fabrication additive. Il s'agissait du premier alliage de ce type à être imprimable.
Chimiquement, l'alliage a été développé grâce à la technique de fonctionnalisation par nanoparticules de HRL. Ce matériau utilise des nanoparticules à base de zirconium ; toutefois, le véritable avantage de ce procédé de fabrication réside dans son applicabilité à une large gamme d'autres métaux et alliages, souvent considérés comme inimprimables. C'est pourquoi HRL explore également d'autres pistes pour intégrer de nouveaux matériaux à l'impression 3D.
Cristallographie, métamatériaux et la structure plastique la plus rigide au monde
Crédit photo : ETH Zurich/MIT
Les nouvelles configurations de matériaux ne consistent pas toujours à découvrir un nouveau matériau ou à modifier la composition chimique d'un matériau pour le rendre imprimable, comme l'illustrent les exemples précédents. Parfois, une nouvelle façon d'utiliser des matériaux existants peut donner des résultats extraordinaires. Ce fut le cas de diverses structures de matériaux qui, agencées de manière à produire des résultats surprenants, intégraient des matériaux structurés de façon à générer des résultats étonnants.
Un projet mené conjointement par le MIT et l'ETH Zurich en est un exemple. Des chercheurs ont créé un matériau présentant le rapport rigidité/poids le plus élevé possible en réorganisant la structure des plastiques à l'échelle nanométrique. Il en résulte un matériau extrêmement rigide, tout en conservant un poids relativement faible. En résumé, ils ont mis au point le matériau le plus rigide qui soit, frôlant les limites théoriques de la physique, en modifiant simplement l'agencement de sa microstructure.
Ce rapport rigidité/poids est crucial pour les implants médicaux haute résistance, les avions et les voitures de course. Comme mentionné précédemment, l'idée principale réside moins dans le matériau utilisé que dans la construction à l'échelle micrométrique. Grâce à l'emploi de motifs complexes de treillis, de ceintures et d'arches, les chercheurs ont optimisé la résistance et la durabilité.
De même, des chercheurs de l'Université de Sheffield et de l'Imperial College ont étudié l'utilisation de microstructures inédites dans les impressions afin d'en améliorer la durabilité, dans l'espoir de créer de nouvelles méthodes d'impression d'alliages. Leurs travaux sur les métamatériaux cristallographiques ont fait appel à la modélisation atomique informatique pour créer ces structures jamais vues auparavant. Ces structures cristallines, comme ils les ont décrites, permettent d'obtenir des impressions sans joints de grains, continues et intactes. Il en résulte une meilleure résistance aux dommages, une plus grande solidité et une meilleure ténacité.
Ces matériaux présentent une structure périodique de nœuds et d'entretoises, ce qui les rend légers tout en leur conférant des propriétés uniques, absentes des solides conventionnels. En exploitant les mécanismes de durcissement propres aux matériaux cristallins pour développer des matériaux robustes et résistants aux dommages, les chercheurs ont créé des matériaux imprimables impossibles à réaliser par les procédés de fabrication soustractifs.
Une idée similaire imprègne le domaine de l'impression 4D, où des microstructures si finement équilibrées permettent de transformer des matériaux ordinaires en robots ou en objets fonctionnels aux agencements variés. L'impression 3D offre souvent la possibilité d'ajuster les moindres détails jusqu'à obtenir l'effet escompté et encourage la création de nouvelles formes dans le monde de la production et de la recherche.
