Matériaux hauts performance pour l’impression 3D

Scalmalloy

Les matériaux hauts performance pour l’impression 3D sont des matériaux aux propriétés mécaniques uniques qui les rendent idéaux pour des applications spéciales de haute qualité.

Les polymères tels que le silicone, le TPE, le TPU et le PEEK, les métaux comme le tungstène, le cuivre et le scalmalloy et les céramiques techniques ou d’ingénierie comme l’alumine, la zircone et la silice font partie de nos matériaux haute performance pour l’impression 3D.

Tous ces éléments se distinguent par leurs propriétés exceptionnelles, que ce soit une résistance extrême à la chaleur, une dureté incroyable, une biocompatibilité ou des qualités de type caoutchouc.

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Polymères hautes performances pour l'impression 3D

Les polymères de haute performance ou d’ingénierie sont un groupe de matériaux plastiques qui ont de meilleures propriétés mécaniques ou thermiques que les plastiques plus largement utilisés tels que le nylon, le PS, le PP, le PE, le PET, etc. Bien que ce ne soit pas une liste définitive du tout, nous mettons en évidence trois matériaux polymères hauts performances intéressants: le PEEK, le TPE-TPU et le silicone.

PEEK

Le PEEK (polyétheréthercétone) est un matériau thermoplastique technique hautement résistant, résistant à la chaleur et ignifuge qui peut être utilisé comme substitut du métal léger. Les pièces PEEK peuvent être jusqu’à 70% plus légères que les pièces métalliques. Il est utilisé dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de l’énergie, de l’électronique et de la médecine pour la fabrication d’anneaux, de capuchons et de boîtiers. Le PEEK biocompatible est disponible pour les applications médicales telles que les implants. Le PEEK appartient à la famille des polymères polycétoniques (PAEK). Cependant, le PEEK peut être un matériau assez cher et est généralement utilisé pour la production de pièces d’extrémité. Le PEEK haut performance pour l’impression 3D est disponible sous forme de filament pour FDM et de poudre pour SLS. Si vous recherchez un matériau alternatif moins cher avec des caractéristiques quelque peu similaires, jetez un œil à PEI (ULTEM).

TPE et TPU

Le TPE et le TPU sont des élastomères thermoplastiques ayant des caractéristiques similaires au caoutchouc.

 

Le TPU (polyuréthane thermoplastique) est un type d’élastomère thermoplastique (TPE) et est disponible dans des degrés de dureté plus élevés pour obtenir des pièces allant de tendre (semblable à du caoutchouc) à dure (plastique rigide).

 

Les élastomères thermoplastiques sont utilisés pour fabriquer des étuis, des housses, des panneaux, des panneaux, des semelles pour chaussures, similaires au caoutchouc. Ils ont été inventés dans les années 1950 et ce n’est que récemment que les deux matériaux sont devenus disponibles en tant que matériaux imprimables en 3D pour l’industrie de la fabrication additive.

Silicone

Le silicone est un matériau polyvalent largement utilisé et l’industrie de la fabrication additive attend depuis longtemps que ce matériau devienne disponible pour l’impression 3D. Le silicium est un polymère thermodurcissable et impossible à imprimer avec les procédés d’impression existants, car ils impliquent tous un chauffage et la formation du matériau fondu.

Cela a changé en 2018 quand un procédé a été inventé qui permettait d’imprimer avec de vraies silicones : DOD ou drop on demand, d’autres découvertes ont suivi et l’impression silicone 3D est désormais possible. Jusqu’à présent, seules des pièces relativement petites peuvent être moulées en silicone, mais de plus grandes imprimantes sont en route.

Le silicone est biocompatible et est largement utilisé pour des applications médicales, mais aussi dans d’autres secteurs.

L’impression au silicone coûte assez cher. Une alternative moins chère est le TPE, en particulier pour les séries à volume élevé.

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Des métaux haute performance pour l'impression 3D

L’autre groupe principal de matériaux utilisés dans l’industrie de la fabrication additive sont les métaux. Les métaux sont principalement imprimés à l’aide de la fusion laser sélective (SLM) et du frittage laser direct (DMLS), mais il existe également des filaments métalliques pour les machines FDM. Les poudres métalliques sont disponibles pour les métaux les plus couramment utilisés tels que l’acier inoxydable, l’acier à outils, l’aluminium, le titane, le nickel, le cobalt et les alliages chromés. Certains métaux se sont révélés plus difficiles à imprimer en 3D, en particulier le cuivre et le tungstène. Par coïncidence, deux métaux que nous voulons traiter avec un métal spécial développé pour l’impression 3D appelé Scalmalloy.

Cuivre pour FDM et SLM

Le cuivre est un matériau populaire apprécié pour sa grande conductivité thermique et électrique.

Les filaments de cuivre pour les machines FDM sont disponibles sur le marché depuis un certain temps, mais étant SLM la méthode préférée pour l’impression des métaux, il est supposé que la poudre de cuivre serait disponible pour l’impression 3D. Cependant, ce sont précisément les propriétés uniques du cuivre qui l’ont rendu impropre au frittage laser, car le cuivre n’absorbe pas le laser et les autres métaux.

Les chercheurs ont dû développer de nouvelles techniques pour rendre possible l’impression 3D avec du cuivre. L’année 2017 a vu un tournant : les poudres de cuivre ont été frittées à l’aide d’un laser dit vert (qui est mieux absorbé par la poudre de cuivre) et en ajoutant le préchauffage de la poudre de cuivre au procédé pour éviter les fractures. Le résultat est que les pièces en cuivre de haute qualité peuvent désormais être imprimées en 3D.

Par ailleurs, d’ici 2020, un filament de cuivre pur (99,8 % Cu en poids) a été développé pour les machines d’impression 3D métalliques FDM, faisant de FDM également une option pour l’impression industrielle sur cuivre.

3D printing copper

Impression 3D avec du cuivre

Traditionnellement, le cuivre est un matériau très populaire en raison de sa conductivité thermique et électrique. Les développements récents ont ouvert de nouvelles possibilités dans la

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Tungstène et autres métaux réfractaires

Le tungstène est l’un des cinq métaux réfractaires, le molybdène, le tantale, le rhénium et le niobium sont les autres du groupe. Les métaux réfractaires sont des métaux extrêmement résistants aux températures élevées pouvant résister à des températures supérieures à 4000 ° C.

Ils sont difficiles à fabriquer même avec des méthodes de fabrication traditionnelles, mais sont hautement souhaitables pour des applications nécessitant une résistance élevée à la chaleur et aux chocs.
Le carbure de tungstène, un composite de tungstène, classé comme céramique, est extrêmement dur et résistant à la chaleur, est utilisé dans les industries de l’aérospatiale et de la défense, entre autres. Les applications incluent les buses de moteur de fusée, les têtes d’armes (pour pénétrer les surfaces dures), les pales de turbine d’avion (résistantes à la chaleur) et les petits outils tels que les lames de scie, les perceuses, les roulements, les pistons et l’équipement de soudage.

Le tungstène est également utilisé dans le domaine médical pour ses propriétés de protection contre les radiations. L’industrie médicale utilise du tungstène pur pour l’imagerie par résonance magnétique, les collimateurs et la radioprotection.

Autres métaux réfractaires

Parmi les autres métaux réfractaires, le molybdène est le plus utilisé, car il est moins cher.

Le molybdène est utilisé dans les alliages pour renforcer les aciers, tels que l’acier inoxydable.

Le tantale est connu pour sa résistance à la corrosion et peut être utilisé pour fabriquer des implants orthopédiques. Il augmente le score en termes de cytocompatibilité (= non-nocif pour une cellule) et de biocompatibilité par rapport au titane.

Le rhénium est le plus rare et donc le plus cher de la classe des métaux réfractaires. Les alliages de rhénium sont utilisés dans les composants électroniques. Le niobium a des applications potentielles dans le secteur aérospatial (tuyère de fusée) et dans l’énergie. Les métaux réfractaires constituent un marché de niche dans l’ensemble de l’industrie des poudres métalliques.

Scalmalloy

Scalmalloy est un matériau d’impression 3D métallique haute performance breveté composé d’alliage de scandium (SC), d’aluminium (AL) et de magnésium (M) (ALLOY).


Initialement développé pour et par l’industrie aérospatiale, mais également intéressant pour d’autres secteurs. Le Scalmalloy est déjà utilisé dans l’industrie automobile (échangeurs de chaleur), en robotique (collecteurs hydrauliques) et dans les sports mécaniques (étriers).

Il est léger, résistant et a une ductilité élevée pour l’utilisation dans l’industrie aérospatiale, mais pas seulement. Comparé à l’aluminium traditionnel (AlSi10Mg), le Scalmalloy est beaucoup plus résistant (plus résistant que le titane) en raison de l’ajout de scandium. Les pièces imprimées en 3D avec Scalmalloy sont légères, résistantes à la corrosion et avec une ductilité élevée.

Céramiques hautes performances pour l'impression 3D

Le troisième groupe que nous voulons examiner est la céramique haute performance ou la céramique technique ou d’ingénierie. Ces céramiques ont été optimisées pour des applications industrielles.

Les céramiques techniques sont rigides, résistantes à la chaleur, ont une mauvaise conductivité thermique, ont de bonnes propriétés d’isolation électrique, résistent à la rupture et sont biocompatibles.

Cependant, ces céramiques sont particulièrement difficiles à modéliser à l’aide des technologies de production conventionnelles, ce qui confère à la fabrication additive un avantage supplémentaire pour travailler avec ces matériaux.

Ces caractéristiques permettent l’utilisation de la céramique dans divers domaines d’application et secteurs industriels.

Dans les sports mécaniques, la céramique est utilisée pour les disques de frein, les roulements et les collecteurs d’échappement.

Dans le domaine médical, la céramique est utilisée pour les implants et composants endoscopiques. L’industrie énergétique utilise des composants en céramique pour leurs grandes propriétés d’isolation thermique et électrique. Vous trouverez de la poterie dans les piles à combustible, les accessoires de soupape et les corps de bobine. La céramique est également excellente pour les outils de découpe au laser. L’industrie aérospatiale aime la céramique pour son poids relativement faible par rapport aux métaux.

Ceramic high performance material for 3D printing

Matériaux haute performance pour l’impression 3D: Céramiques techniques

Alumine, zircone, silice et autres céramiques

Les plus connues sont l’alumine, la zircone et la silice.

L’alumine (oxyde d’aluminium) est la plus utilisée, car elle est la moins chère.

La zircone (dioxyde de zirconium) est utilisée dans l’industrie dentaire (pour le remplacement des dents) mais également dans les industries aérospatiale et nucléaire.

La céramique à base de silice telle que carbure de silicium est le matériau céramique le plus dur (comparable au diamant).

Les céramiques non-oxydées hautes performances telles que le nitrure de silicium, le carbure de silicium, le carbure de bore et le nitrure d’aluminium et les composites d’alliages métal-céramique sont également intéressantes.

Les modèles en céramique sont fabriqués en utilisant la technologie SLS ou Binder Jetting utilisant des poudres céramiques.

 

Futurs matériaux haute performance pour l'impression 3D

Comme mentionné dans l’introduction, il ne s’agit en aucun cas d’une liste définitive de tous les matériaux haute performance pour l’impression 3D. À mesure que l’industrie de la fabrication additive évolue, de nouveaux matériaux seront développés. Les composites comme le graphène, les matériaux bio et nano et même les matériaux dits 4D, qui changent de forme avec le temps, par exemple les matériaux à mémoire de forme, sont de nouveaux matériaux existants avec de nombreuses applications sortantes.

Conclusion

Les matériaux haute performance pour l’impression 3D sont une catégorie passionnante de matériaux dans le domaine de la fabrication additive. Ces matériaux se distinguent par leurs propriétés exceptionnelles, de la résistance à la chaleur extrême, à la dureté incroyable, à la biocompatibilité ou aux qualités caoutchouteuses exceptionnelles. Ces matériaux ne sont généralement pas bon marché, ce sont des matériaux de haute qualité destinés aux applications finales avancées. Tous les matériaux mentionnés sont disponibles chez Beamler. La liste n’est ni exhaustive ni définitive car de nouveaux matériaux sont développés à mesure que l’industrie de la fabrication additive évolue.

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