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.

https://www.youtube.com/watch?v=jNibDy9zvuk

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

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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.

Vous recherchez un matériau précis?
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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