Impression 3D de métaux précieux :une nouvelle approche ?

Une étude récente de SmarTech a évalué le marché des matériaux en métaux précieux dans la fabrication additive à 250 millions de dollars d'ici 2028. Cela montre que si l'impression 3D reste encore relativement à ses premiers stades de développement, c'est un domaine en croissance constante. L'impression 3D de métaux précieux comme l'or, l'argent ou le platine est idéale pour les applications haut de gamme à faible volume avec des niveaux élevés de personnalisation et de liberté de conception. Dans cet esprit, les industries comme la bijouterie, l'horlogerie, le dentaire et l'électronique peuvent énormément bénéficier de l'impression 3D avec ces matériaux.

Nous verrons comment fonctionne l'impression 3D avec des métaux précieux, les limites de la technologie et comment les applications pourraient évoluer à l'avenir.

Fabrication directe et indirecte

Il existe deux approches principales pour l'impression 3D de métaux précieux :la fabrication directe et indirecte . Avec la fabrication indirecte, l'impression 3D est utilisée pour produire des outils tels que des matrices et des moules pour les processus traditionnels. L'impression 3D directe, quant à elle, fait référence à la création de pièces directement à partir de la conception.

Fabrication indirecte avec du métal précieux implique l'impression 3D d'un modèle de cire à utiliser dans le moulage de précision. La stéréolithographie (SLA) est généralement utilisée pour créer de tels motifs à partir de résines coulables ressemblant à de la cire. Au cours de ce processus, un laser à lumière UV se déplace sur une couche de photopolymère liquide (résine), solidifiant sélectivement le matériau. Lorsque le modèle en cire est terminé, il est ensuite recouvert d'un matériau résistant à la chaleur tel que le plâtre et placé dans un four où la cire est fondue, ne laissant que le moule en plâtre durci. Ce processus est également appelé « cire perdue ». Le métal précieux en fusion est ensuite versé dans le moule, remplissant l'espace laissé par la cire.

Ce processus est particulièrement bénéfique pour l'industrie de la bijouterie, car il permet d'économiser du temps et des efforts associés à la sculpture à la main de modèles, tout en permettant aux fabricants de bijoux de concevoir des bijoux personnalisés très complexes. Actuellement, le marché des imprimantes 3D propose une large gamme de machines SLA bien adaptées à la production de modèles en cire.

En revanche, avec l'impression 3D directe , les fabricants peuvent créer des pièces en métaux précieux directement à partir de fichiers CAO. Les deux technologies d'impression 3D les plus couramment utilisées pour l'impression 3D directe avec des métaux précieux sont le frittage laser direct de métal (DMLS) et le jet de matériau.

Un examen plus approfondi de la fabrication directe

La fabrication directe en est encore à ses balbutiements par rapport à l'impression 3D indirecte. Bien que le frittage laser direct de métaux (DMLS) soit l'une des méthodes de fabrication additive les plus courantes pour la production de pièces métalliques, le frittage laser de poudres de métaux précieux n'est devenu que récemment, en partie à cause des difficultés intrinsèques de travailler avec ces matériaux.

Les poudres de métaux précieux sont également coûteuses à rechercher et à développer. De plus, de nombreux métaux précieux, comme l'or et l'argent, sont hautement réfléchissants et thermiquement conducteurs. Cela signifie que les lasers AM typiques sont incapables de fondre complètement le matériau et de créer une pièce homogène. Cependant, malgré les défis, quelques fabricants de FA ont développé des machines capables de traiter des matériaux en métaux précieux à l'aide du DMLS.

Machines sur le marché

Par exemple, le fabricant allemand EOS, en partenariat avec la société britannique de métaux précieux Cooksongold, a lancé l'imprimante 3D EOS PRECIOUS M 080 en 2014. Avec ce système, une large gamme d'alliages de poudre de métaux précieux peut être utilisée, de l'or et de l'argent au platine. et alliages de palladium.

De même, la société de joaillerie Boltenstern a utilisé le PRECIOUS M 080 pour créer sa collection de bijoux « Embrace », imprimés en 3D en or et en platine. La technologie a permis des niveaux de personnalisation inatteignables auparavant tout en créant des pièces avec des conceptions complexes. La collection comprenait des bijoux tels que des bracelets, des boucles d'oreilles, des bagues, des colliers et des boutons de manchette.

Le fabricant italien de machines Sisma a présenté le système mysint100 pour l'impression 3D avec des matériaux précieux (bronze, or et plusieurs alliages de métaux précieux) et poudres de métaux non précieux en 2014. Et en 2016, la société a élargi son portefeuille d'imprimantes 3D avec la plus grande machine mysint300, adaptée à la production de petites séries et de pièces de taille moyenne.

Platine d'impression 3D

Le platine d'impression 3D est un cas d'utilisation particulièrement intéressant. Le matériau est notoirement difficile à couler en raison de sa température de fusion élevée et de sa réactivité élevée avec les matériaux du creuset et du moule de revêtement. Cela se traduit par des coûts de production élevés, le besoin d'équipements spécifiques et des défauts fréquents dans les produits finis, faisant du frittage laser une meilleure alternative à la coulée. La société de métaux précieux Cooksongold a même estimé que la densité du platine imprimé en 3D peut atteindre plus de 99,9%, alors que le platine coulé est dense à 99,2%.

Dentisterie

Dans l'industrie dentaire, l'impression 3D de métaux précieux peut être utilisée pour les restaurations dentaires, en créant de petits lots de couronnes, d'inlays et d'onlays. Par exemple, Argen, qui se spécialise dans la technologie numérique dentaire, utilise des machines Concept Laser pour l'impression 3D de métaux avec des alliages nobles (alliage d'or et de palladium), nobles (palladium) et non précieux, produisant des prothèses dentaires entièrement denses et personnalisées à la demande.

Électronique

Le jet de matériau est un processus de fabrication additive complètement différent du DMLS, impliquant l'utilisation de têtes d'impression qui déposent des gouttelettes de matériau couche par couche. Ces gouttelettes sont ensuite solidifiées avec une lumière UV.

En ce qui concerne les métaux précieux, le jet de matériaux est généralement utilisé avec des encres d'argent ou d'or hautement conductrices pour imprimer en 3D des appareils électroniques tels que des antennes, des prototypes de circuits imprimés, des circuits et des capteurs. La société israélienne Nano Dimensions est pionnière dans ce domaine avec son imprimante 3D DragonFly 2020 Pro. Avec le système de dépôt à jet d'encre exclusif, la DragonFly 2020 Pro est capable d'imprimer avec des encres conductrices (argent) et diélectriques simultanément, créant des pièces électriquement fonctionnelles.

Un autre acteur majeur dans le domaine de l'électronique imprimée en 3D utilisant des métaux précieux est Optomec. La société américaine a développé une large gamme d'encres pour métaux précieux (or, platine, argent, cuivre) et non précieux spécifiquement pour la gamme de ses imprimantes Aerosol Jet. La dernière imprimante 3D de la gamme, l'Aerosol Jet HD, est entrée sur le marché plus tôt cette année. La technologie sous-jacente implique un atomiseur d'encres, qui crée le brouillard d'aérosol, ensuite déposé sur le substrat à l'aide d'une focalisation aérodynamique.

Les composants électroniques, des résistances aux antennes et capteurs, peuvent être fabriqués à l'aide de la technologie Aerosol Jet. Par exemple, des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon ont pu imprimer en 3D des jauges de contrainte à haute température à l'aide de cette technologie. Les jauges de contrainte sont des capteurs utilisés pour mesurer la contrainte d'un matériau ou d'une structure, aidant à détecter tout problème structurel dans un composant. Les jauges de contrainte ont été fabriquées à partir de nanoparticules d'argent et ont démontré des performances supérieures à celles de leurs homologues disponibles dans le commerce et peuvent être particulièrement bénéfiques pour l'aérospatiale et d'autres industries à haute performance comme les systèmes nucléaires et de production d'électricité.

Regard vers l'avenir

Bien que l'impression 3D indirecte reste l'option la plus populaire pour travailler avec des métaux précieux, les industries de la bijouterie à l'électronique reconnaissent régulièrement les avantages des métaux précieux directement imprimés en 3D. Cependant, il existe des obstacles à une adoption plus large – des équipements coûteux aux difficultés de développement de poudres et d'encres de métaux précieux appropriées.

Néanmoins, à plus long terme, nous verrons plus directement des bijoux et des produits dentaires imprimés en 3D, alors que la tendance à davantage de personnalisation et à un délai de mise sur le marché plus rapide se poursuit. En outre, davantage de recherches sont menées dans le domaine des encres à base de métaux précieux. Nous envisageons que l'électronique imprimée en 3D pourrait révolutionner de nombreuses industries de haute performance avec des capteurs et des antennes imprimés en 3D, la prochaine étape dans l'évolution de l'Internet des objets.