Quatre matériaux sur mesure optimisés pour le succès de la fabrication additive

Avec la croissance continue de la fabrication additive, entreprises et chercheurs ont développé diverses sous-technologies, add-ons et moyens d'optimiser les impressions. Cependant, un autre moyen d'obtenir un objet optimisé est d'optimiser le matériau utilisé. Cela a donné naissance à divers matériaux faits pour l'impression 3D, tous présentant des propriétés idéales atteintes par contrôle précis.

Certains de ces matériaux ont été conçus très spécifiquement pour ou avec l'impression 3D, présentant ainsi à la technologie de nouvelles caractéristiques et fonctionnalités inédites. Voici quelques-uns des matériaux les plus prometteurs :

Scalmalloy

Crédit photo : Beamler

Vanité comme le premier matériau original spécifiquement développé pour l'impression 3D, ce mélange de scandium (Sc), aluminium (Al) et magnésium (Mg) amalgamés en un seul alliage. Le matériau a été développé et breveté à l'origine par APWorks, une filiale du groupe Airbus. En tant que matériau d'impression métallique, il présente des caractéristiques uniques comme une résistance accrue (principalement due à la présence de scandium).

En termes de résistance, il surpasse l'aluminium traditionnel et beaucoup de ses alliages dérivés. Il est même plus résistant que le titane tout en étant léger et résistant à la corrosion. Bien sûr, le matériau peut être cher à créer car il contient du scandium, un métal rare aussi coûteux à extraire de ses minerais. Les prix du scandium fluctuent entre 4 000 et 20 000 $US le kilogramme, les principaux sites miniers étant en Chine et Russie.

Le Scalmalloy est plus utile pour les pièces à haute endurance et longue durée. C'est pourquoi il devient populaire dans l'industrie automobile et la robotique, souvent dans les échangeurs de chaleur. Comme on peut s'y attendre, le Scalmalloy joue aussi un rôle clé dans son industrie d'origine : l'aérospatiale.

Matériaux NewGen SLM

Crédit photo : TU Graz

Ce métal vient de l'Université technique de Graz en Autriche, appliquant un mélange de nitrure de silicium au développement d'acier inoxydable dédié à la fabrication additive métal. Désignés comme matériaux NewGen SLM, ils présentent des réactions plus contrôlées pendant le processus de formation, résultant en une finition de surface améliorée et minimisant le besoin de supports. L'acier inoxydable 316L est l'un des matériaux les plus courants avec des usages dans de multiples industries mondiales et la version NewGen présente des caractéristiques améliorées spécifiquement pour l'impression par fusion laser sélective.

Les chercheurs ont testé diverses versions de l'acier inoxydable modifié avec plusieurs mélanges. En testant d'autres matériaux pour propriétés mécaniques et porosité, ils ont conclu que les distorsions lors du frittage étaient réductibles par un contrôle strict du nitrure de silicium et des borures dans celui-ci. Ils ont publié ces résultats dans l'article académique « Amélioration de la stabilité dimensionnelle et des propriétés mécaniques des frittés AISI 316L + B par addition de Si3N4 ».

Comme les borures augmentent la densité du fritté, ils ne se mélangent pas bien dans les matériaux à base de fer. En résultat, des couches indésirables peuvent se former autour de la particule. Le nitrure de silicium atténue ce facteur et mène à une meilleure finition de surface. Les chercheurs ont modifié la poudre métallique non seulement pour de meilleures propriétés mécaniques et d'utilisation finale, mais aussi pour que les matériaux NewGen SLM nécessitent moins de structures de support. Ce faisant, l'acier inoxydable modifié peut être encore plus léger que les impressions métalliques conventionnelles.

Actuellement, les chercheurs commercialisent encore ce matériau particulier. Ils améliorent aussi cette ligne de recherche pour tester d'autres matériaux qui pourraient bénéficier de façons similaires. Leur travail a été remarqué et ils travaillent avec un programme de bourses spin-off pour établir une start-up appropriée.

Alliage d'aluminium haute résistance imprimé en 3D

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Inventé par les laboratoires HRL, cette souche particulière d'aluminium a été récemment commercialisée et enregistrée par l'Aluminum Association. L'aluminium haute résistance fabriqué additivement a aussi marqué le premier enregistrement jamais fait d'un tel alliage par l'Association, recevant le numéro d'enregistrement 7A77.50 pour la poudre d'aluminium, et 7A77.60L pour l'alliage imprimé lui-même.

Ce matériau était aussi spécial en ce qu'il a marqué le nouveau système d'enregistrement d'alliages additifs de l'association en février 2019. Ce fut un résultat direct des divers nouveaux matériaux apparaissant grâce aux capacités de fabrication additive. Ce fut le premier alliage de son genre à être imprimable.

Chimiquement, l'alliage a été développé en utilisant la technique de fonctionnalisation par nanoparticules de HRL. Ce matériau particulier utilise des nanoparticules à base de zirconium, cependant, le vrai avantage de ce mode de production de matériau est qu'il pourrait s'appliquer à une grande variété d'autres métaux et alliages souvent jugés non-imprimables. En résultat, HRL explore aussi diverses autres façons d'introduire de nouveaux matériaux dans le monde de l'impression 3D.

Cristallographie, métamatériaux et la structure plastique la plus rigide au monde

Crédit photo ETH Zurich/MIT

Les nouveaux arrangements de matériaux ne consistent pas toujours à découvrir un nouveau matériau ou altérer la composition chimique pour le rendre imprimable comme les exemples précédents l'illustrent. Parfois, une nouvelle façon d'utiliser des matériaux existants peut fournir quelque chose d'extraordinaire. Ce fut le cas avec diverses structures de matériaux contenant des matériaux structurés de façon à produire des résultats passionnants.

Un projet combiné entre MIT et ETH Zurich en est un exemple. Les chercheurs ont créé un matériau avec le ratio rigidité/poids le plus élevé possible en réarrangeant la construction des plastiques à l'échelle nano. Cela a résulté en un matériau très rigide, tout en équilibrant cette rigidité avec un poids relativement faible. En essence, ils avaient développé le matériau le plus rigide possible, assez proche des limites théoriques que la physique permet, en ajustant simplement la façon dont sa microstructure est arrangée.

Ce ratio rigidité/poids est crucial pour implants médicaux haute résistance, avions et voitures de course. Comme mentionné précédemment, l'idée principale n'est pas tant dans le matériau utilisé que dans la construction à micro-échelle. Avec l'utilisation de motifs complexes de treillis, poutres et arches, les chercheurs ont maximisé la résistance et l'endurance.

De même, des chercheurs de l'Université de Sheffield et de l'Imperial College étudiaient l'utilisation de microstructures novatrices dans les impressions pour améliorer la durabilité, espérant créer de nouvelles façons d'imprimer des alliages. Leur travail sur l'utilisation de métamatériaux cristallographiques a utilisé la modélisation atomique par ordinateur pour créer ces structures jamais vues. Ces structures cristallines, comme ils les décrivaient, résultent en des impressions sans frontières de grains, continues et ininterrompues. Cela donne à l'impression finale une meilleure tolérance aux dommages, résistance et ténacité.

De tels matériaux ont des arrangements périodiques de nœuds et de barres, les rendant légers tout en exhibant une combinaison de propriétés qui n'existent pas dans les solides conventionnels. En employant les mécanismes de durcissement trouvés dans les matériaux cristallins pour développer des matériaux robustes et tolérants aux dommages, ils ont créé des matériaux imprimables que la fabrication soustractive ne pourrait pas gérer.

Une idée similaire imprègne le domaine de l'impression 4D, où les microstructures sont si délicatement équilibrées qu'elles transforment des matériaux moyens en robots ou objets fonctionnels avec divers arrangements. L'impression 3D fournit souvent ces capacités de bidouiller les moindres détails jusqu'à ce qu'ils servent un but conçu et encourage la création de nouvelles formes dans le monde de la fabrication et de la recherche.