Guide d'impression 3D avec du titane

Avec les avantages de la réduction des déchets de matériaux et la possibilité de créer des conceptions légères, l'impression 3D en titane trouve sa place dans de nombreuses industries.

Le titane possède d'excellentes propriétés matérielles, mais son coût élevé a historiquement limité son utilisation à des applications à haute valeur ajoutée dans l'aérospatiale. Maintenant que l'impression 3D métal est de plus en plus reconnue comme une méthode de fabrication viable, la technologie rend le titane plus accessible aux industries comme la médecine, l'automobile et les sports mécaniques.

Le post d'aujourd'hui examine ce qui fait du titane un bon choix pour l'impression 3D, les technologies qui prennent en charge le matériau, ainsi que les principales applications industrielles.

Les propriétés uniques du titane

Secteur Propriétés Applications AérospatialRésistance à la corrosion
Rapport résistance/poids élevé
Résistance aux températures élevées Structures de cellule et d'aile
Pièces plus petites comme les aubes de compresseur, les rotors et autres composants de moteur à turbine MédicalExcellente résistance
Biocompatibilité (non toxique , non allergène)Dispositifs orthopédiques comme les implants de la colonne vertébrale, de la hanche et du genou. Automobile et sports mécaniquesRésistance à la corrosion
Rapport résistance/poids élevé
Résistance aux températures élevéesÉtriers de frein, supports, jantes, montants.

Pensez fort, léger et résistant à la corrosion, et vous avez l'essence de ce qui fait du titane un matériau si recherché. Le titane est connu pour ses excellentes propriétés matérielles - aussi solide que l'acier mais avec seulement 60% de sa densité.

Le rapport résistance/densité élevé du titane, sa bonne résistance à la corrosion et sa résistance chimique le rendent particulièrement souhaitable pour les industries de haute performance comme l'aérospatiale et la défense.

Ici, les alliages de titane sont utilisés dans des applications qui nécessitent des pièces légères capables de conserver leurs propriétés mécaniques à haute température.

Le titane est aussi connu pour sa biocompatibilité, ce qui en fait un choix idéal pour les applications médicales, telles que les implants.

Cependant, alors que le titane offre une gamme d'avantages, il reste un matériau relativement coûteux. En effet, le métal est extrait en quantités relativement faibles et le traitement du titane brut reste une tâche complexe, ce qui rend le matériau considérablement plus cher que d'autres métaux comme l'acier.

Qu'est-ce qui rend le titane adapté à l'impression 3D ?

Le titane peut être un métal difficile à travailler, en particulier lorsqu'il s'agit d'usinage. D'une part, le titane a une faible conductivité thermique. Cela signifie que lorsqu'il est usiné, par exemple avec une machine CNC, la chaleur générée est stockée dans l'outil CNC, ce qui pourrait entraîner une usure rapide de l'outil.

De plus, étant donné que l'usinage implique la coupe et l'enlèvement de matière, le processus peut entraîner la production de nombreux déchets de matière. De nombreuses entreprises recherchent donc de meilleures alternatives pour produire des pièces en titane.

L'impression 3D métal s'avère être cette alternative viable.

Avec l'impression 3D métal, le grade de titane le plus couramment utilisé est l'alliage Ti6Al4V (Ti64). En plus du Ti64, il est également possible d'imprimer en 3D avec du titane pur.

Les avantages de l'impression 3D avec du titane

L'impression 3D de titane présente de nombreux avantages.

Pour les applications aérospatiales, l'utilisation de pièces en titane pour l'impression 3D permet souvent de réduire le ratio achat/vol. Le terme, qui vient de l'industrie aérospatiale, fait référence à la corrélation entre le poids de la quantité de matière initialement achetée et le poids de la pièce finie.

Dans la fabrication conventionnelle, par exemple, les composants d'avion en titane peuvent avoir un rapport achat/vol compris entre 12:1 et 25:1. Cela signifie que 12 à 25 kg de matière première sont nécessaires pour produire 1 kg de pièces. Dans ce scénario, jusqu'à 90 % du matériau est usiné.

L'impression 3D sur métal peut réduire ce rapport pour les composants en titane entre 3:1 et 12:1. En effet, les imprimantes 3D métal n'utilisent généralement que la quantité de matériau nécessaire pour créer une pièce, ne générant que peu de déchets des structures de support. Pour un matériau coûteux comme le titane, les économies de coûts résultant de ce rapport achat/vol réduit peuvent être assez importantes.

La fabrication additive peut également améliorer les propriétés de légèreté du titane grâce à l'optimisation de la topologie. À l'aide d'un logiciel d'optimisation de la topologie, les ingénieurs définissent certaines exigences, telles que les contraintes de charge et de rigidité, puis laissent l'outil logiciel optimiser la conception initiale pour répondre à ces exigences. Grâce à cette optimisation, tout matériau inutile est supprimé de la conception, créant un composant plus léger mais solide.

Les conceptions topologiquement optimisées ne peuvent souvent être fabriquées qu'à l'aide de technologies de fabrication additive m. Cet avantage est particulièrement apprécié par l'industrie aérospatiale, où des pièces légères en titane imprimées en 3D peuvent entraîner des économies de poids et de meilleures performances de l'avion.

Quelles technologies prennent en charge le titane ?

Les trois méthodes d'impression 3D métalliques les plus couramment utilisées pour créer des pièces en titane sont le dépôt direct d'énergie (DED), la fusion par faisceau d'électrons (EBM) et la fusion sélective au laser (SLM).

Dépôt d'énergie direct

Les premiers efforts pour imprimer en 3D du titane ont commencé en 1997 chez Aeromet Corporation, qui a utilisé la technologie DED pour produire des pièces pour l'industrie aérospatiale.

Dans le DED, une source d'énergie à haute intensité telle qu'un laser ou un faisceau est utilisée pour faire fondre la poudre de titane (ou le fil) lorsqu'elle est déposée à travers une buse sur le substrat. Le principal avantage ici est la possibilité de créer de grandes pièces à un taux de dépôt de matériau relativement élevé (jusqu'à 320 cc/h).

Aujourd'hui, il existe de nombreuses variantes de la technologie DED, y compris la fabrication additive par faisceau d'électrons (EBAM) et la fabrication additive par arc métallique (WAAM) de Sciaky.

Fusion par faisceau d'électrons

La société suédoise Arcam a développé sa technologie EBM pour permettre l'impression en 3D d'implants et de composants aérospatiaux en titane. Dans l'EBM, un faisceau d'électrons est appliqué sur une couche de poudre métallique, la fondant et la fusionnant avec la couche précédente.

L'EBM est considéré comme plus précis que le DED et convient aux pièces plus petites et complexes. Notamment, le procédé EBM se déroule sous vide et à haute température. Cela se traduit par des contraintes résiduelles minimales dans les pièces imprimées en 3D, ce qui signifie également que les pièces ne nécessitent pas de traitement thermique ultérieur.

En 2013, Arcam a lancé deux machines de FA, Arcam Q10 et Arcam Q20, ciblant respectivement les industries de l'implant orthopédique et de l'aérospatiale. L'Arcam Q20 est particulièrement conçue pour fonctionner avec l'alliage Ti6Al4V.

Arcam a également sorti l'imprimante 3D Arcam Spectra H, capable d'imprimer de nouveaux alliages de titane sujets aux fissures tels que l'aluminure de titane.

Fusion laser sélective

Comme l'EBM, le SLM est un procédé de fusion sur lit de poudre, bien qu'il utilise un faisceau laser au lieu d'un faisceau d'électrons pour fondre et fusionner les couches de poudre métallique. L'épaisseur d'une couche dans le processus SLM peut atteindre 20 microns, ce qui rend cette technologie beaucoup plus précise par rapport au DED et à l'EBM.

Applications de l'impression 3D titane

L'aérospatiale domine les applications clés de l'impression 3D en titane. Cela dit, d'autres industries comme la médecine, les sports mécaniques, la chimie et la marine commencent également à étudier la technologie pour produire des composants en titane.

Aérospatiale

Pour les entreprises aérospatiales, l'impression 3D de titane permet de réduire le poids des structures très chargées, ce qui le rend parfaitement adapté aux moteurs à réaction, aux turbines à gaz et à de nombreux composants de cellules.

Beaucoup des plus grandes entreprises aérospatiales incorporent des pièces en titane imprimées en 3D dans leurs avions.

Liebherr-Aerospace &Transportation SAS

Par exemple, le fournisseur de l'aérospatiale, Liebherr-Aerospace &Transportation SAS, a commencé la production en série de supports de train d'atterrissage avant en titane imprimés en 3D pour l'Airbus A350 XWB plus tôt cette année. Ces supports seront les premières pièces d'Airbus à être produites avec du titane imprimé en 3D.

Boeing et Norsk Titanium

Boeing a également misé sur l'impression 3D en titane. Depuis 2015, Boeing s'est associé à la société norvégienne d'impression 3D en métal, Norsk Titanium, pour produire de grands composants structurels en titane pour le 787 Dreamliner. En 2017, la FAA a qualifié la pièce en titane sans nom, fabriquée à l'aide de la technologie brevetée Rapid Plasma Deposition (RPD) de Norsk.

Basé sur le processus DED, RDP utilise du fil de titane avec des torches à plasma pour imprimer de grands composants structurels en titane. La technologie serait 50 à 100 fois plus rapide que les systèmes à base de poudre et utiliserait 25 à 50 % moins de titane que les procédés de forgeage. Les délais de livraison accélérés et la réduction des déchets de matériaux pourraient permettre à Boeing d'économiser jusqu'à 3 millions de dollars par avion.

Actuellement, l'impression 3D en titane est largement explorée pour les composants d'avions plus petits tels que les supports et les boîtiers. À l'avenir, cependant, son utilisation pourrait s'étendre à des composants structurels beaucoup plus grands, grâce aux économies de poids, de coût et de temps de développement.

Médical

La non-toxicité du titane, sa haute résistance et sa résistance à la corrosion en font un matériau attrayant pour les implants orthopédiques et dentaires.

Lorsqu'ils sont utilisés avec l'impression 3D, les fabricants de dispositifs médicaux peuvent créer des implants avec des structures poreuses complexes. Remarquablement, ces structures imitent la structure des os humains afin que les cellules osseuses la reconnaissent comme un échafaudage à travers lequel se développer.

Implants rachidiens en titane d'Osseus

Une entreprise qui développe de tels dispositifs est la société américaine Osseus Fusion System. Ses implants rachidiens en titane imprimés en 3D, appelés Aries-L Interbody Fusion Devices, présentent un maillage multi-axes exclusif et une topologie de micro-surface optimisée, qui permettent aux os de fusionner plus rapidement. Pour rendre ces fonctionnalités complexes possibles, Osseus imprime ses appareils Aries sur une imprimante 3D SLM validée par la FDA.

L'utilisation de l'impression 3D en titane pour les appareils orthopédiques, comme les implants de la colonne vertébrale, de la hanche et du genou, est en augmentation. D'ici 2020, les applications médicales du titane imprimé en 3D représenteront environ 274 000 kg de titane, selon un récent rapport Smartech. Cela ouvre des perspectives très positives pour l'impression 3D en titane dans l'industrie médicale.

Automobile et sports mécaniques

Étrier de frein en titane de Bugatti

Par rapport à l'aérospatiale et au médical, l'industrie automobile n'a pas été aussi rapide à adopter l'impression 3D en titane. Même si les mêmes avantages s'appliquent, le marché automobile grand public est très soucieux des coûts, ce qui limite l'utilisation de ce matériau coûteux dans la plupart des véhicules.

Actuellement, des pièces imprimées en 3D en titane peuvent être trouvées dans les voitures de course et véhicules de luxe où le poids et les performances sont des facteurs importants.

L'un des exemples les plus marquants d'utilisation de l'impression 3D en titane dans l'automobile est l'étrier de frein de Bugatti, développé pour sa supercar Bugatti Chiron.

Elément essentiel du système de freinage, l'étrier de frein mesure 41 x 21 x 13,6 cm et a été imprimé en 3D en 45 heures grâce à la technologie SLM. La pièce finie serait environ 40 % plus légère qu'une alternative en aluminium usiné.

L'année dernière, la société a testé avec succès l'étrier de frein, prouvant qu'il peut répondre aux exigences extrêmes de résistance, de rigidité et de température.

En plus de l'étrier de frein, Bugatti a utilisé l'impression 3D en titane dans la production d'un support de spoiler actif. En partenariat avec Siemens, la pièce a été optimisée pour réduire le poids tout en offrant de la résistance, ce qui se traduit par une économie de poids de 53 % et une rigidité accrue.

Roues en titane imprimées en 3D de HRE

Le fabricant américain de jantes, HRE, est une autre entreprise à bénéficier de l'impression 3D en titane. L'objectif principal de HRE était de réduire la quantité de matière gaspillée lors de la production de jantes.

À l'aide de la technologie EBM, HRE a imprimé en 3D une jante de forme complexe et a obtenu une réduction de poids de 19 % au cours du processus.

Avec les méthodes de production traditionnelles pour cette application, les déchets de matière générés peuvent atteindre jusqu'à 80%. Avec l'impression 3D, HRE affirme que le matériau gaspillé ne dépasse pas 5 %.

HRE considère la jante plus comme une vitrine technologique que comme un produit commercial. Cela dit, le projet offre un aperçu de ce que l'avenir de la conception et de la fabrication de roues pourrait nous réserver.

Impression 3D en titane et sports mécaniques

Dans le sport automobile, l'impression 3D en titane joue « un rôle stratégique essentiel » dans la production de véhicules hautes performances et plus légers, y compris les voitures de course.

Un exemple vient de l'équipe Oxford Brookes Formula Student. En partenariat avec le Manufacturing Technology Center (MTC) du Royaume-Uni, l'équipe a repensé les montants du véhicule et les a fabriqués à l'aide de la technologie EBM. Grâce à ce procédé, l'équipe a réalisé 50 % de gain de poids.

Les défis de l'impression 3D titane

Malgré les avantages de l'impression 3D en titane, quelques défis doivent être pris en considération.

Premièrement, il faut développer des normes pour l'utilisation du titane avec des technologies additives. Certaines entreprises prennent déjà des mesures dans ce sens. En 2018, Boeing et Oerlikon ont signé un partenariat de cinq ans axé sur la standardisation de l'impression 3D en titane et sur la garantie que les composants imprimés répondent aux exigences de vol de la FAA et du DoD.

Le deuxième défi réside dans le coût élevé des poudres de titane. Par exemple, le coût de la poudre de titane optimisée pour l'impression 3D varie de 300 $ à 600 $.

Pour réduire le coût réel du matériau par kilogramme de titane, certains producteurs de poudre ont développé des méthodes alternatives de production de poudre. Canadian PyroGenesis, par exemple, utilise son système d'atomisation au plasma NexGen™, qui produit de la poudre métallique, y compris du titane, à plus de 25 kg/h. Des taux de production plus élevés permettent à la société de produire du titane à des prix compétitifs.

La société britannique Metalysis, a développé une autre méthode de production de poudre qui pourrait réduire les prix du titane. Le procédé utilise une forme d'électrolyse pour transformer l'oxyde de titane brut en poudre de titane. Les principaux avantages de cette technologie résident dans son respect de l'environnement et son faible coût par rapport aux méthodes traditionnelles de production de poudre.

En septembre 2018, Metalysis a commencé la production commerciale de poudres de titane, en plus d'autres alliages, cherchant à livrer entre 10 et 100 tonnes de poudres métalliques par an.

Si les nouvelles méthodes de fabrication de poudre de titane sont en mesure d'exploiter leur potentiel, le prix moyen d'un kg de titane pourrait être réduit de 17 % d'ici 2024, selon SmarTech Analysis.

Impression 3D Titane :une combinaison gagnante

L'impression 3D au titane est devenue une technologie précieuse dans les domaines de l'aérospatiale, de la médecine et de l'automobile. La principale raison en est le mélange gagnant entre les excellentes propriétés du titane et la capacité de l'impression 3D à réduire les déchets et à créer des conceptions complexes et légères.

À l'avenir, à mesure que le coût du titane baisse et que de plus en plus d'applications sont découvertes, l'impression 3D en titane deviendra une excellente alternative de fabrication pour un éventail beaucoup plus large d'industries.