Aperçu des matériaux métalliques pour l'impression 3D
L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additiveL'impression 3D permet de créer des pièces métalliques complexes directement à partir de données de CAO en 3D. Contrairement aux méthodes soustractives traditionnelles telles que l'usinage CNC, l'impression 3D construit des pièces couche par couche sans nécessiter d'outillage ou de dispositifs de fixation spécifiques.
L'impression 3D de métaux offre de nouvelles possibilités pour produire des composants métalliques personnalisés, légers et performants aux géométries complexes. Les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la médecine et de la défense adoptent de plus en plus l'impression 3D de métaux pour des applications de production finales.
Cependant, tous les métaux ne peuvent pas être facilement imprimés en 3D. Les matériaux métalliques les plus couramment utilisés sont l'aluminium, le titane, le nickel, l'acier inoxydable et les alliages cobalt-chrome. Le choix du matériau dépend des exigences spécifiques de l'application - solidité, résistance à la corrosion, performances à haute température, biocompatibilité, etc.
Ce guide complet fournit une vue d'ensemble détaillée des différents métaux et alliages utilisés dans l'impression 3D. Nous abordons la composition, les propriétés, les applications, ainsi que les avantages et les inconvénients des matériaux métalliques les plus courants, afin de vous aider à choisir le matériau adapté à vos besoins.
Principaux enseignements sur les matériaux d'impression 3D en métal :
- Les alliages d'aluminium offrent un bon rapport résistance/poids et une bonne résistance à la corrosion à moindre coût.
- Les alliages de titane offrent une excellente résistance, une faible densité et une biocompatibilité pour les utilisations médicales.
- Les aciers inoxydables présentent une grande solidité et une résistance à la corrosion pour l'outillage et les pièces fonctionnelles.
- Les superalliages de nickel peuvent résister à des températures élevées, ce qui les rend adaptés à l'aérospatiale.
- Les alliages cobalt-chrome assurent la dureté, la résistance à l'usure et la biocompatibilité des implants dentaires et médicaux.
- Le choix du matériau dépend des exigences mécaniques, des besoins de post-traitement, des coûts et de la pertinence de la méthode d'impression 3D.
- L'orientation des pièces, les structures de support, l'épaisseur des couches et les paramètres de fabrication doivent être optimisés pour chaque matériau métallique.
- Le post-traitement, comme le pressage isostatique à chaud, peut améliorer les propriétés finales des pièces.
Composition des matériaux métalliques pour l'impression 3D
La composition des éléments d'alliage dans les métaux et la microstructure confèrent des propriétés spécifiques et déterminent l'adéquation du matériau à l'impression 3D.
Alliages d'aluminium
L'aluminium est connu pour sa faible densité et sa bonne résistance à la corrosion. Les alliages d'aluminium corroyés et coulés sont les plus couramment utilisés :
| Type d'alliage | Compositions |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
Le 6061 offre une meilleure résistance à la corrosion, tandis que le 7075 est plus résistant. L'A356 est un alliage coulable.
Alliages de titane
Le titane présente un rapport résistance/poids élevé et une biocompatibilité, mais il peut être difficile à usiner. Alliages courants :
| Type d'alliage | Compositions |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Le Ti-6Al-4V offre le meilleur équilibre de propriétés et est l'alliage de titane le plus utilisé.
Aciers inoxydables
Les aciers inoxydables contiennent du Cr et du Ni pour une bonne résistance à la corrosion. Quelques alliages utilisés :
| Type d'alliage | Compositions |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
Le 316L offre une excellente résistance à la corrosion. Le 17-4PH est un acier inoxydable martensitique à durcissement par précipitation.
Superalliages de nickel
Les superalliages de nickel sont très résistants et supportent des températures extrêmes. Alliages courants :
| Type d'alliage | Compositions |
|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
L'inconel 718 est largement utilisé dans les applications aérospatiales. L'inconel 625 présente une excellente résistance à la corrosion.
Alliages de cobalt et de chrome
Les alliages cobalt-chrome offrent dureté, résistance à l'usure et biocompatibilité. Deux qualités principales sont utilisées :
| Type d'alliage | Compositions |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Tous deux présentent des propriétés similaires. Le CoCrMo est plus largement utilisé.
Propriétés mécaniques des matériaux métalliques
Les propriétés mécaniques du métal déterminent les performances de la pièce imprimée en 3D. Vous trouverez ci-dessous les propriétés typiques des alliages couramment utilisés :
| Matériau métallique | Limite d'élasticité (MPa) | Résistance à la traction (MPa) | Élongation (%) | Densité (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| Acier inoxydable 316L | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Inconel 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Inconel 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Les alliages d'aluminium offrent une résistance moyenne avec une excellente élongation.
- Les alliages de titane offrent une résistance très élevée compte tenu de leur faible densité.
- L'acier inoxydable 316L offre une bonne ductilité et une excellente résistance à la corrosion.
- Les superalliages d'Inconel sont extrêmement résistants mais moins ductiles.
- Le cobalt-chrome a une dureté élevée, ce qui le rend difficile à usiner après l'impression.
Applications de l'impression 3D sur métal
Le choix du matériau dépend de l'application finale et des exigences spécifiques de la conception :
| L'industrie | Applications | Matériaux utilisés |
|---|---|---|
| Aérospatiale | Pales de turbines, supports structurels | Alliages de titane, Inconel, Acier inoxydable |
| Automobile | Pièces sur mesure, outillage | Aluminium, Acier faiblement allié |
| Médical | Implants, instruments chirurgicaux | Titane, Cobalt-chrome |
| Pétrole et gaz | Vannes, pompes, outillage | Acier inoxydable, Inconel |
| Défense | Pièces complexes, armures légères | Aluminium, Titane |
Quelques applications typiques tirant parti des pièces métalliques imprimées en 3D :
- Aéronautique : Supports et composants structurels complexes et légers
- Automobile : Pièces personnalisées pour les applications de sport automobile
- Médical : Implants et instruments chirurgicaux spécifiques au patient
- Pétrole et gaz : Vannes et pompes à haut rendement pour pipelines
- Défense : Composants détaillés et légers pour véhicules et équipements
Avantages et inconvénients des principaux matériaux métalliques
Voici une comparaison des avantages et des limites des principaux alliages métalliques utilisés dans l'impression 3D :
| Matériau | Pour | Cons |
|---|---|---|
| Aluminium 6061 | Faible coût, bonne résistance à la corrosion | Résistance inférieure |
| Aluminium 7075 | Rapport résistance/poids élevé | Difficile à souder |
| Titane Ti-6Al-4V | Haute résistance, faible densité | Matériau coûteux |
| Acier inoxydable 316L | Excellente résistance à la corrosion | Résistance inférieure à celle des alliages |
| Inconel 718 | Résiste aux températures extrêmes | Un défi pour les machines |
| Chrome cobalt | Excellente usure et biocompatibilité | Ductilité limitée |
Fournisseurs de matériaux d'impression 3D en métal
De nombreuses entreprises fournissent des poudres métalliques et des fils spécifiquement destinés aux processus d'impression 3D :
| Matériau | Principaux fournisseurs |
|---|---|
| Alliages d'aluminium | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Alliages de titane | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Aciers inoxydables | Sandvik, Carpenter Additive |
| Superalliages de nickel | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Alliages de chrome et de cobalt | AP&C, Sandvik, SLM Solutions |
Des facteurs tels que la qualité de la poudre, sa consistance, la forme des particules et leur distribution affectent les propriétés de la pièce finale et la stabilité du processus d'impression. Les fournisseurs réputés proposent des alliages bien caractérisés et personnalisés, adaptés à l'AM.
Analyse des coûts des matériaux d'impression 3D en métal
Le coût des matériaux représente une part importante du coût final de la pièce dans l'impression 3D de métal. Vous trouverez ci-dessous des fourchettes de prix approximatives :
| Matériau | Coût par Kg | Coût par cm3 |
|---|---|---|
| Alliages d'aluminium | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Alliages de titane | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Aciers inoxydables | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Inconel 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Chrome cobalt | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Le titane et les alliages de chrome cobalt sont les plus chers, tandis que le prix de l'aluminium est modéré.
- Les coûts des matériaux augmentent avec le volume de construction - les pièces plus grandes dans des alliages coûteux nécessitent des budgets de matériaux plus élevés.
- L'optimisation visant à réduire les déchets de support et le post-traitement peut contribuer à réduire les coûts effectifs des matériaux.
Normes pour les poudres métalliques
Pour garantir des impressions répétables de haute qualité, les poudres métalliques utilisées dans l'impression 3D doivent répondre à certaines normes minimales :
| Propriété | Normes clés |
|---|---|
| Distribution de la taille des particules | ASTM B822, ISO 4490 |
| Capacité d'écoulement | ASTM B213, ISO 4490 |
| Densité apparente | ASTM B212, ISO 3923 |
| Densité du robinet | ASTM B527, ISO 3953 |
| Composition chimique | ASTM E1479, analyse OES |
- La qualité de la poudre influence les propriétés finales de la pièce, telles que la densité, l'état de surface et les propriétés mécaniques.
- Les poudres sphériques avec une distribution contrôlée de la taille des particules ont une excellente fluidité.
- Une chimie et une densité constantes assurent la stabilité et la répétabilité du processus.
Méthodes d'impression 3D pour les métaux
Diverses technologies d'impression 3D peuvent traiter les métaux et les alliages :
| Méthode | Matériaux | Principaux avantages | Limites |
|---|---|---|---|
| Fusion de lits de poudre | La plupart des alliages | Excellente précision et finition de surface | Lenteur de la construction |
| Dépôt d'énergie dirigée | La plupart des alliages | Caractéristiques intégrées aux pièces existantes | Résolution inférieure |
| Jetting de liant | Acier inoxydable | Impression à grande vitesse | Résistance inférieure |
| Extrusion de métal | Alliages limités | Faibles coûts d'équipement | Densité plus faible |
- Les technologies sur lit de poudre comme le DMLS offrent la résolution et la précision les plus élevées.
- La projection de liant fonctionne avec une gamme plus large d'alliages, mais la résistance finale de la pièce est plus faible.
- Le dépôt d'énergie dirigée permet d'imprimer de grandes pièces en forme de filet.
Exigences en matière de post-traitement
Les pièces métalliques imprimées nécessitent généralement un post-traitement pour obtenir les propriétés souhaitées :
| Post-traitement | Objectif | Matériaux utilisés |
|---|---|---|
| Suppression du support | Enlever les structures de soutien | Alliages à supports minces et fragiles |
| Soulagement du stress | Réduire les contraintes résiduelles | Tous les alliages |
| Pressage isostatique à chaud | Augmenter la densité, améliorer les propriétés | Tous les alliages |
| Finition de surface | Améliorer la rugosité de la surface | Tous les alliages |
| Traitement thermique | Modifier la microstructure | Alliages durcissables comme l'aluminium |
| Usinage | Précision des dimensions et de l'état de surface | La plupart des alliages |
- Un traitement thermique de détente est recommandé pour tous les alliages afin d'éviter les déformations.
- Le traitement HIP peut améliorer de manière significative les propriétés finales du matériau.
- L'usinage CNC permet d'obtenir une précision dimensionnelle et une finition de surface.
Comment choisir un matériau métallique pour l'impression 3D
Suivez ces lignes directrices pour sélectionner un matériau métallique optimal :
- Faire correspondre les propriétés de l'alliage aux exigences de conception telles que la résistance mécanique, la dureté, la résistance thermique, etc.
- Tenir compte des besoins de post-traitement - certains alliages comme l'Inconel sont difficiles à usiner.
- Évaluer la taille et la géométrie de la pièce - certains métaux comme l'aluminium conviennent mieux aux pièces de grande taille.
- Évaluer les volumes de production - créer un prototype avec un matériau moins cher, puis passer à des alliages plus performants.
- Tenir compte de la disponibilité et du coût des matériaux dès le début de la phase de conception.
- Travaillez en étroite collaboration avec votre fournisseur de services d'impression 3D pour sélectionner le meilleur matériau.
- Optimiser les paramètres d'impression tels que l'orientation et l'épaisseur de la couche en fonction de l'alliage spécifique choisi.
- Effectuer des essais de construction et de caractérisation des matériaux avant de lancer la production.
FAQ
Q : Quel est l'alliage métallique le plus résistant pour l'impression 3D ?
R : Les superalliages d'Inconel, comme l'Inconel 718, ont la plus grande résistance à la traction mais sont moins ductiles. Le titane Ti-6Al-4V présente le rapport résistance/poids le plus élevé.
Q : Les pièces imprimées en 3D en acier inoxydable résistent-elles à la corrosion ?
R : Oui, le 316L et d'autres alliages d'acier inoxydable conservent leur excellente résistance à la corrosion après l'impression 3D.
Q : Quel est l'alliage de titane le plus couramment utilisé dans l'impression 3D ?
R : Le Ti-6Al-4V est l'alliage de titane le plus populaire, représentant 90% de tout le titane imprimé en 3D. Il offre les meilleures propriétés générales.
Q : Quel est le meilleur alliage d'aluminium pour l'impression 3D ?
R : Les matériaux 6061 et 7075 sont les plus utilisés, le 6061 offrant une bonne résistance à la corrosion à moindre coût, et le 7075 étant choisi pour les applications structurelles à haute résistance.
Q : Les étapes de post-traitement sont-elles obligatoires pour les pièces métalliques imprimées en 3D ?
R : Le post-traitement tel que l'enlèvement des supports, la détente et la finition de la surface est fortement recommandé pour obtenir des propriétés et des performances optimales du matériau.
Q : Quel procédé d'impression 3D permet d'utiliser la plus large gamme d'alliages métalliques ?
R : La projection de liant et le dépôt d'énergie dirigée peuvent fonctionner avec la plupart des alliages, mais la fusion sur lit de poudre permet d'obtenir des pièces à plus haute résolution.
Q : Comment la précision des pièces se compare-t-elle entre l'usinage et l'impression 3D des métaux ?
R : Les pièces usinées par CNC permettent des tolérances plus étroites et une meilleure finition de surface que les métaux imprimés en 3D. Cependant, l'impression 3D permet des géométries plus complexes.
Q : Quel procédé d'impression 3D de métaux offre les vitesses de fabrication les plus rapides ?
R : La projection de liant permet d'atteindre les vitesses d'impression les plus élevées, en construisant des pièces jusqu'à 10 fois plus vite que les procédés de fusion sur lit de poudre.
