les imprimantes 3D pouvant utiliser des métaux

L’impres­sion 3D se développe dans tous les domaines et notam­ment dans l’in­dus­trie — mais cette dernière a notam­ment besoin de pou­voir tra­vailler avec des métaux. Bon, pour tout ce qui est métal réel, le prix d’en­trée de l’im­p­ri­mante” est très très élevé, du fait d’une tem­péra­ture de fusion bien supérieure au plas­tique.

Le sys­tème est en effet déjà bien con­nu par les indus­triels (100.000 $ à 500.000 $). Les ventes d’imprimantes 3D métal ont pro­gressé de 45% dans le monde en 2015. Ces machines représen­tent 7% du vol­ume glob­al des imp­ri­mantes 3D indus­trielles, mais pèsent 31% du revenu total généré.

Plusieurs pro­duits vous per­me­t­tent d’imiter visuelle­ment le métal, ou encore de réalis­er de petits pro­duits grâce à une “pâte à métaux” et des pro­jets avec des méthodolo­gies inno­vantes sont aus­si en route, comme la MK1 de Vad­er (voir plus bas)

Méthodologies

L’im­pres­sion 3D présente l’a­van­tage de pro­pos­er une fab­ri­ca­tion addi­tive per­me­t­tant de pro­duire des pièces métalliques plus com­plex­es qu’avec les tech­niques de fab­ri­ca­tion comme le frais­age ou le moulage.

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L’im­pres­sion 3D pour les métaux est sou­vent réal­isée à par­tir de poudres métalliques fusion­nées par un laser (frit­tage laser ou procédé DMLS®). Cela fonc­tionne strate par strate en fusion­nant de très fines couch­es de poudre métallique grâce à un laser.

Les billes de poudre métallique fondent locale­ment au point d’impact d’un ray­on laser. En se reso­lid­i­fi­ant, elles for­ment une couche hor­i­zon­tale et sont fusion­nées sur la couche inférieure. Il est alors pos­si­ble de créer des cav­ités internes et des con­tre-dépouilles. Une struc­ture de sup­port, ancrée sur la plate­forme en métal sert de base et est néces­saire pour soutenir les pièces lors de la fusion. L’épaisseur des couch­es varie entre 20 et 40 microns. Les tolérances obtenues sont extrême­ment pré­cis­es : elles peu­vent attein­dre +/- 0,05 mm. Les pièces sont détachées de la struc­ture sup­port par la suite par élec­troéro­sion ou par sci­age.

Les pièces fab­riquées par ce procédé sont plus légères que les pièces clas­siques en restant au moins aus­si résis­tantes. Cela présente un fort intérêt pour les secteurs aéro­nau­tiques, auto­mo­bile ou autres néces­si­tant à la fois solid­ité et légèreté.

Les autres tech­nolo­gies util­isées par les imp­ri­mantes 3D métal sont:

  • Binder jet­ting (projection/extrusion de liant): Le procédé con­siste à dépos­er un liant liq­uide spé­cial pour agglomér­er des par­tic­ules métalliques. Les couch­es ain­si for­mées sont ensuite suc­ces­sive­ment super­posées jusqu’à con­stituer l’objet désiré, en général des pièces indus­trielles pour l’automobile ou l’aéronautique.
  • Dépo­si­tion directe de métal: con­siste à focalis­er un laser très puis­sant en sor­tie d’un flux de par­tic­ules métalliques pour les fusion­ner instan­ta­né­ment et ain­si génér­er une pièce solide en métal.
  • Mate­r­i­al jet­ting (projection/extrusion de matière)

Les métaux

Les prin­ci­paux métaux util­isés sont le titane et l’aci­er inoxyd­able, l’alu­mini­um, le cobalt, le fer, le bronze, le cuiv­re,  l’argent et l’or.

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L’acier inoxyd­able: L’inox est très résis­tant à la cor­ro­sion.

  • EOS: MS1
  • ProMet­al,
  • ExOnePH1,
  • AISI (2kg: 200€)
  • Stain­lessSteel GP1 du con­struc­teur EOS, une poudre fine d’acier inoxyd­able réputée pour sa grande résis­tance à la cor­ro­sion et son excel­lente duc­til­ité (capac­ité à se déformer sans rompre) sans aucun traite­ment ultérieur.

 Entre 90 et 200 € le kg.

L’acier d’outillage Marag­ing

Aci­er inoxyd­able marten­si­tique des­tiné à la fab­ri­ca­tion d’outillage rapi­de (découpage, extru­sion…) et de moules dans les domaines de l’aéronautique, l’astronautique et l’automobile.

Le Titane
légèreté, solid­ité et résis­tance à la cor­ro­sion.

La fab­ri­ca­tion addi­tive est de plus en plus employé e pour ce matéri­au car beau­coup plus sim­ple.

Util­i­sa­tion: auto­mo­bile, aéro­nau­tique et médecine.

Les alliages de titane comme le Ti6Al4V d’EOS, le Ti6Al4V Grade 5 et le Ti6Al4V ELI Grade 2 d’Ar­cam sont plus solides que le matéri­au pur. Cet alliage bio­com­pat­i­ble trou­ve notam­ment des appli­ca­tions dans la médecine. Il est util­isé par exem­ple pour fab­ri­quer d’implants en titane sur mesure, sa porosité naturelle per­me­t­tant aux cel­lules osseuses de le colonis­er effi­cace­ment.

 Entre 400 et 500 € le kg

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L’aluminium
AlSi10Mg d’EOS, un alliage qui par de sa com­po­si­tion (mag­né­si­um et de sili­ci­um) est à la fois très léger et très solide, résis­tant à la cor­ro­sion, pou­vant être soudé.

Sou­vent util­isé pour la fab­ri­ca­tion de moules à parois fines et aux géométries com­plex­es, pièces mécaniques des voitures de course, aéro­nau­tique, aérospa­tiale, vélos.

Rarement util­isé à l’état pur, il est plus sou­vent sous forme d’alliage avec des métaux amélio­rant les pro­priétés physiques et mécaniques, comme le sili­ci­um et le mag­né­si­um.

Entre 100 et 150 € le kg

L’alumide

Mélange de polyamide et d’aluminium.
Per­met de réalis­er des pièces très solides et très flex­i­bles avec grande résis­tance à la chaleur. Les objets néces­si­tent divers­es fini­tions telles que le polis­sage ou le meu­lage.

Le Cobalt Chrome
Le procédé EBM (Elec­tron Beam Melt­ing), tech­nique voi­sine du SLS con­siste à fusion­ner une poudre avec un fais­ceau élec­trons per­met d’u­tilis­er cet alliage en impres­sion 3D.

  • Arcam — ASTM F75: alliage très solide pour con­cevoir de l’outillage ou des moules.
  • CoCr­Mo est un alliage lisse et résis­tant util­isé pour les pro­thès­es de genou ou de hanche ou des couronnes den­taires.
  • EOS — Chrome Cobalt EOS SP2 ; super-alliage pul­véru­lent des­tiné aux restau­ra­tions den­taires.
  • EOS — Chrome Cobalt EOS MP1 résis­tant à hautes tem­péra­tures (600 ºC).

Env­i­ron 250 € le kg

Le gal­li­um
Encore au niveau de la recherche et développe­ment, il est util­isé en alliage avec 25% d’indium.

Util­i­sa­tion: fab­ri­ca­tion de divers matéri­aux semi-con­duc­teurs
La par­tic­u­lar­ité de cet alliage est dûe à la basse tem­péra­ture néces­saire pour faire fon­dre le gal­li­um (29,7° C) et au fait que les deux métaux dur­cis­sent à l’air, l’intérieur reste liq­uide, per­me­t­tant d’im­primer ain­si des pièces flex­i­bles.

Les matéri­aux pré­cieux
Le plus sou­vent ces métaux sont coulés dans des moules conçus par impres­sion 3D: tech­nique de moulage à la cire per­due: on moule l’objet en cire pour créer un moule en plâtre dans lequel est ensuite coulé le métal fon­du.
Ce procédé est très util­isé en bijouterie et pour la fab­ri­ca­tion d’objets de petite taille, restent les prob­lèmes et lim­ites du moulage: les formes trop fines sont à éviter et une épais­seur min­i­mum de 0,8 mm à 1 mm pour les parois est à respecter.

Les imprimantes métal accessibles aux petits budgets

imp­ri­mante 3D métal open-source

Une équipe de chercheurs de l’université de Tech­nolo­gie du Michi­gan a dévoilé les plans d’une imp­ri­mante 3D métal open-source, per­me­t­tant à quiconque de fab­ri­quer des bijoux de chez soi ou de répar­er des pièces dans son garage.

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D’après le leader du pro­jet, Joshua Pearce, Pro­fes­sor au départe­ment Sci­ence des Matéri­aux et Ingénierie de l’université, “les petites et moyennes entre­pris­es pour­ront fab­ri­quer des pièces et des équipements rapi­de­ment et facile­ment, à par­tir de mod­èles open-source téléchargés gra­tu­ite­ment sur inter­net, ce qui pour­rait révo­lu­tion­ner l’économie et chang­er la donne pour beau­coup.”

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L’imprimante métal fonc­tionne par dépôt de fines couch­es d’acier à l’aide :

  • d’un micro-con­trôleur
  • d’une soudeuse à l’arc au gaz, que l’on peut trou­ver dans le com­merce,
  • et d’une imp­ri­mante 3D RepRap, la Ros­tock deltabot.

La page du pro­jet indique les prix et les liens pour acheter chaque com­posant de l’imprimante, le coût de fab­ri­ca­tion de la machine ne devrait pas dépass­er les 1300 dol­lars.

Les objets pour­ront être pro­duits à par­tir de dif­férents alliages à base de fer (nick­el, man­ganèse, titane, etc.) en fonc­tion des pro­priétés physiques et de la résis­tance à la cor­ro­sion souhaités. Libre à cha­cun d’améliorer ou de mod­i­fi­er le pro­jet de base et d’en faire prof­iter toute la com­mu­nauté.
Du fait de l’u­til­i­sa­tion de la soudure, ce n’est pas une imp­ri­mante à met­tre dans les mains de tous, pour des raisons évi­dentes de sécu­rité et il est néces­saire d’avoir un local bien ven­tilé.

La ver­sion Toulou­saine: Strong­Print

Jean-Michel Rogero, habi­tant de la région Toulou­saine, utilise la struc­ture de son imp­ri­mante Delta et met à dis­po­si­tion toutes les infor­ma­tions néces­saires pour la con­stru­ire.

Il utilise aus­si un poste de soudure à l’arc TIG (Tung­sten Inert Gas), lui per­me­t­tant plus de pré­ci­sion, il s’est instal­lé au sein du Fablab toulou­sain Artilect. Le déplace­ment des axes, le déroule­ment du fil métallique ain­si que le déclenche­ment du poste de soudage sont con­trôlés par des cartes Arduino. L’ob­jec­tif étant de pro­pos­er une imp­ri­mante pour un prix de revient de moins de 1000€.

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Rogero estime qu’il y aura besoin de nom­breuses fonc­tion­nal­ités sup­plé­men­taires, comme un extracteur de fumée et une méth­ode pour enfer­mer la machine. Les prin­ci­pales préoc­cu­pa­tions de sécu­rité sont des incendies poten­tiels, les fumées, et des lésions ocu­laires provenant de l’ét­in­celle de soudure.

La MK1 de vad­er: pro­jet

La Mk1 va propulser le métal liqué­fié depuis une cham­bre de 750°C dans un champ élec­tro­mag­né­tique à tra­vers des bus­es d’im­pres­sion sim­i­laire à une imp­ri­mante à jet d’en­cre. Elle per­me­t­tra de tra­vailler l’a­lu­mini­um et ses alliages pour des tailles de 30cm de côté.
L’an­nonce de la sor­tie de l’im­p­ri­mante date de 2013, mais il n’y a tou­jours pas de date de sor­tie de prévue ni de prix com­mu­niqué.

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Le Mk2 — prévu en 2018 — con­tien­dra 10 têtes d’im­pres­sion afin de pou­voir utilis­er dif­férents métaux et de pro­duire des pièces 30x plus vite que la Mk1.

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Tou­jours en pro­jet promise depuis 2014

La mini met­al mak­er

mini_metal_maker_-_metal_clay_3d_printer_mini_metal_maker_-_2016-10-01_15-28-41David Hartkop utilise  la tech­nolo­gie FDM pour son imp­ri­mante. Sa machine extrude de la pâte à métaux ou Pre­cious Met­al Clay (PMC).

Il faut cuire les objets dans un four à poterie de 600 à 900°C pour que le liant organique de la pâte se retire. Les objets métalliques ain­si imprimés peu­vent être traités comme tous les autres com­posants métalliques ; ils peu­vent être per­cés,  pliés, polis, etc … Les objets devront toute­fois entr­er dans un cube de 8cm de côté.

L’argent, l’or, le cuiv­re, le laiton, le bronze, le fer et l’acier sous forme de pâte à métaux peu­vent être imprimés par la Mini Met­al Mak­er, vous trou­verez sur leur site la pâte de bronze.

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Réso­lu­tion XY: 10 microns
de réso­lu­tion Z: 2 microns

le prix de l’im­p­ri­mante est de 1600$.

Impression “style métal”

Pour l’impression 3D grand pub­lic, il existe égale­ment des fil­a­ments com­pos­ites métalliques à base de PLA et de cer­tains métaux pré­cieux imi­tant l’apparence des métaux pré­cieux.

  • Vir­tu­al Foundry Fil­amet: le fil­a­ment qui a le plus grand pour­cent­age de métal et avec néces­site exacte­ment les mêmes paramètres d’im­pres­sion que le PLA, fonc­tionne sans prob­lème avec les sty­los d’im­pres­sion 3D. Vous pou­vez com­man­der un échan­til­lon d’es­sai.
    Vous pou­vez juste imprimer et polir pour avoir un pre­mier aperçu très cor­rect.
    Toute­fois pour finalis­er le tra­vail, il reste des étapes à réalis­er: le polis­sage, pas­sage au four pour vapor­is­er les liants, puis frit­ter les par­tic­ules métalliques noyées dans l’im­pres­sion en por­tant lente­ment la tem­péra­ture à 350°C (il vous faut donc un four spé­cial poterie), puis ven­til­er le four pour attein­dre 7500°C. Puis plonger l’ob­jet directe­ment dans une bas­sine d’eau, une fois refroi­di, pass­er le gra­ton con­seil­lé.
    le fil­a­ment de cuiv­re coûte 85$ pour 750g

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  • Col­or­Fabb (Hol­lande) :
    • Fil­a­ment Brass­Fill  imite l’or
    • Cop­per­Fill : un fil­a­ment pour imprimer à base de cuiv­re, plus résis­tant que bronze­fil, mais doit être poli. Un bril­lanteur appliqué avec un chif­fon doux ou une mèche de coton finit la fini­tion.
    •  Bronze­fill : plas­tique PLA et des gran­ulés de cuiv­re micro­nisé
    • Brass­Fill imi­tant l’or
  • Pro­topas­ta
  • Dutch 3D a inten­si­fié le rap­port à la poudre de métal de 85 pour cent et 15 pour cent PLA. Les fil­a­ments 3D en métal d’im­pres­sion sont appelés Met­al­Fil Ancient Bronze et cuiv­re clas­sique Met­al­fil  Vous pou­vez imprimer à des tem­péra­tures «mod­érées» de 190°C
  • vous pou­vez trou­ver de nom­breuses autres mar­ques sur ce site

En moyenne 50 € la bobine de 750g et 79,95 € la bobine de 1kg 500g.

Cette page vous mon­tre un com­para­tif entre Vir­tu­al Foundry Fil­amet et Col­or­Fabb Bronze­fill.

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Pour en savoir plus sur l’im­pres­sion 3d ou encore sur ce site.

Dans tous les cas, l’im­pres­sion 3D en est encore à ses débuts, surtout pour l’im­pres­sion métallique et des nom­breuses struc­tures recherchent des pro­jets sur ce thème.

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