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Les matériaux – chiffres, descriptif et standardisation

Les matériaux – chiffres, descriptif et standardisation

par Gaëtan Lefèvre24 février 2016
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Essentiels à la fabrication additive, les matériaux sont l’un des points clés de l’évolution et du développement de cette technologie. Leurs propriétés, la possibilité de les combiner et leur normalisation sont des éléments importants qui définiront le futur de cette technologie. A3DM Magazine analyse la situation actuelle.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et projet.

 

Depuis 1982, lorsque Chuck Hull a commencé à expérimenter la stéréolithographie (SLA), les possibilités de fabrication par couches successives n’ont cessé d’évoluer, atteignant, quelques années plus tard, l’étape fondamentale de l’enregistrement du brevet US 4.575.330, obtenu le 11 mars 1986. Avec l’objectif d’améliorer le prototypage rapide, le nouveau processus SLA a introduit une technique révolutionnaire basée sur l’utilisation d’un laser ultraviolet (UV) venant frapper une résine. Le fichier STL était créé afin de permettre le découpage de l’objet par couche. La répétition du processus de couches successives permet de générer des formes tridimensionnelles. Ce procédé est reconnu comme la première invention qui conduit à la naissance de la fabrication additive. Depuis ce jour, différentes résines, polymères, métaux, céramiques, composites et bio cellules enrichissent le paysage de matériaux disponibles pour la fabrication additive. Et la liste ne cesse de croître.

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Services et matériaux : une croissance émergente

Le battage médiatique sur la fabrication additive est en évolution constante et s’adapte aux nouveaux développements. Tandis que les acteurs du secteur, comme dans tous les domaines émergents, sont confrontés aux consolidations et fusions sectorielles. Cependant, l’évolution de ces techniques et la multiplication du nombre de ses applications conduisent à une croissance soutenue. Les centres de service sont en augmentation continuent dans le monde entier, à la fois dans les environnements B2B mais aussi B2C. Selon l’entreprise Wohlers, les revenues des services de la fabrication additive ont augmenté au fil des années, atteignant 38,9 % en 2014, après une hausse de 1,3 milliard $ américain en 2013. Au cours des cinq dernières années, le développement a été de 400 %. Les revenues liées aux matériaux de fabrication additive ont atteint, en 2014, le total de 640 millions $ américain avec une hausse de 29,5 points de pourcentage par année, trois fois la valeur de la production en 2010(voir le tableau 1).

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Actuellement, le marché des matériaux est dominé par les photopolymères et les métaux. En 2014, la croissance du matériau photopolymère a été de plus de 30,3 %, atteignant 298,4 millions $ américains (comme montré sur le tableau 2). Tandis que la croissance des matériaux métalliques a été de 49,4 % pour une valeur totale de 48,7 millions $ américains (tableau 3).

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Selon le rapport IDTechEx, la tendance pour les prévisions futures des dix prochaines années montre une croissance similaire pour les poudres thermoplastiques et métalliques, notamment grâce à une application plus ample des techniques de prototypage rapide et au passage à la fabrication des pièces finies.

Part de marché des matériaux en 2015 et en 2025

Part de marche des materiaux a3dm magazine

Différentes techniques, différents matériaux

Bien que la définition de la fabrication additive soit universellement acceptée et approuvée par les principaux organismes de standardisation, elle comprend de nombreux procédés, liés spécifiquement aux divers matériaux.

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La famille des plastiques

Les plastiques sont les matériaux les plus utilisés. Cette offre est très variée puisqu’ils présentent des caractéristiques très différentes : de propriétés fonctionnelles, de couleurs, de transparence, de biocompatibilité, de résistance, de rigidité, de dureté, d’élasticité, etc. Par exemple, la stéréolithographie utilise des photopolymères dont les propriétés changent selon la lumière. En fonction de leurs réactions face à des températures élevées, les plastiques sont divisés en deux catégories : les thermoplastiques, possédant la caractéristique de pouvoir être refondus, et les matières plastiques thermodurcissables, des matériaux polymères liquides ou malléables à des températures basses mais ne peuvent être fondus qu’une seule fois. Ces polymères se présentent, généralement, sous forme de poudres ou de filaments.

Les thermoplastiques, principale catégorie de photopolymère

  • L’ABS, acrylonitrile butadiène-styrène, est le plastique utilisé pour fabriquer les pièces Lego, un choix très commun pour l’impression 3D. Sa force, sa souplesse, sa capacité d’usinage et sa résistance à une température plus élevée font de lui le plastique préféré des ingénieurs.
  • Le PA, polyamide, est le polymère le plus couramment utilisé dans les techniques Powder Bed Fusion ou par frittage sélectif laser (SLS). Le nylon est un polyamide synthétique.
  • Le PC, polycarbonate, nécessite une buse à haute température.
  • Le PLA, acide polylactique, provient de la transformation de produits végétaux comme le maïs, les pommes de terre ou les betteraves à sucre.
  • Le PVA, alcool polyvinylique, est utilisé comme matière de support soluble ou pour des impressions spécifiques.
  • Le SOFT PLA ou PLA DOUX, acide polylactique, est caoutchouteux et flexible, disponible dans des couleurs et des sources limitées.
  • Le TPU, polyuréthane thermoplastique, offre ténacité, résistance et élasticité, en particulier le TPU 92A.
  • L’ULTEM 9085 de la société Stratasys est un matériau récent avec un rapport poids/résistance très significatif et très intéressant, spécifiquement pour le secteur de l’aérospatiale.

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Lame de pelle imprimé avec de la résine Ultem 9085 de la société Stratasys

Le marché du plastique

Jusqu’en 2012, l’ABS et le PLA sont les seuls matériaux polymères. Ils sont encore les filaments les plus couramment utilisés. Le PLA a gagné en popularité en raison de son utilisation courante dans les imprimantes 3D et de ses propriétés recyclables. L’ABS a l’avantage d’être utilisé dans la fabrication de pièces plus solides grâce à une meilleure cohésion entre les couches. Il est donc utilisé non seulement pour la fabrication de prototypes mais aussi pour des pièces finies. Les prix représentent toujours un facteur critique et les polymères coûtent beaucoup plus chers que les plastiques utilisés pour la fabrication conventionnelle. Selon le rapport Wohlers de 2015, le prix du plastique est compris entre 175 et 250 $/kg contre 2-3 $/kg pour les thermoplastiques par moulage par injection.

En termes de fournisseurs de photopolymères, les entreprises clés sont : 3D Systems, Asiga, B9Creator, Bucktown Polymers, Carima, DSM, DWS, Envisiontech, Kevvox, Makerjuice labs, Rahn, Sartomer, Stratasys. Les entreprises clés pour les filaments thermoplastiques sont : 3D Systems, Airwolf 3D, Colorfabb, Esun, Faberdashery, KDI, Markforg3D, Inventables, Madesolid, Stratasys and Taulman 3D. Tandis que les fournisseurs de produits chimiques connexes sont : Evonik, LG Chem, Natureworks LLC and Solvay. Les principaux producteurs de poudres thermoplastiques, principalement utilisés par frittage sélectif laser sont : 3D Systems ALM, Arzauno, CRP, EOS, EXCELTEC, Graphite, OPM and Taulman 3D.

Le panorama des métaux et ses développements

Les procédés métalliques comme directed energy deposition et metal powder bed fusion sont capables de produire des éléments fonctionnels et de haute qualité à partir d’une variété de métaux en poudre.

  • Cobalt-chrome et des alliages à base de nickel.
  • Titane et alliages de titane commercialement purs.
  • Cuivre et alliages d’aluminium.
  • Les métaux précieux (or, platine, palladium, l’argent).
  • Les aciers inoxydables.
  • Les aciers à outils.

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Échangeur de moteur automobile métallique (Autodesk Within/EOS)

Les poudres métalliques peuvent avoir différentes tailles et formes, sphériques ou irrégulières, selon les procédés de fabrication. Les fabricants coopèrent étroitement avec les fournisseurs de matériaux pour développer de nouveaux procédés tout en réduisant la porosité, en renforçant la consistance et garantissant la répétabilité comme le requirent les industries. L’atomisation est la méthode pour produire des poudres métalliques. L’atomisation par gaz est le plus utilisé pour les alliages en Ni, Fe, Al, Ti et Co pour la fabrication additive, notamment car il offre de multiples formes régulières de particules de poudres. L’atomisation par l’eau est, quant à elle, le système le plus commun et économique. Par exemple, la majorité des systèmes en powder bed fusion préfère des poudres métalliques avec particules sphériques, uniformes et denses. Ce processus nécessite la fusion du métal solide dans une atmosphère de vide (ou sous air/gaz inerte) remplie de gaz à grande vitesse réduisant le métal en particules métalliques ensuite sphéroïdisées à la fin du processus.

Les entreprises clés fabricants de poudre sont : AP&C, Arcam, Argen, ATI Powder Metals, Carpenter, Cooksongold, Conceptlaser, DM3D,Erasteel,EOS, GKN Hoeganaes, HC Starck, Legor Group, LPW Technology, Metalysis Technology, Metco, Praxair, Renishaw, Sandvik, SLM and TLS.

Comme pour les polymères, les métaux pour la fabrication additive sont plus coûteux que pour les processus de fabrication soustractive et traditionnels. Les coûts élevés d’atomisation doivent aussi être considérés. Toutefois, des recherches constantes et des innovations pourraient conduire à une utilisation plus large de la fabrication additive en métal et donc entraîner un abaissement des coûts des matériaux.

Les multi-matériaux et les nouvelles frontières

Alors que des projets de recherche et d’innovation sur de nouveaux matériaux plastiques et métaux sont constamment développés, les multi-matériaux représente également une récente et nouvelle frontière. Le mélange de caractéristiques souples et rigides, transparentes et opaques, de différentes couleurs permet la fabrication de produits composites, intégrant des propriétés différentes de matériaux. Un exemple intéressant est représenté par la gamme Objet Connex, des imprimantes multi matériaux de Stratasys. Cette dernière permet la combinaison de 123 matériaux, dont 90 dérivées du mélange composite de matériaux primaires de la Objet. Les utilisateurs peuvent sélectionner des matériaux dans une large gamme, du plus rigide au caoutchouc, du transparent aux différentes couleurs, offrant la possibilité de combiner jusqu’à 14 matériaux dans le même temps dans une sole modèle. Chaque matériau est acheminé à un système liquide dédié qui est ensuite connecté au bloc d’impression Objet, contenant huit têtes d’impression. Chaque tête comprend 96 buses, chacune mesurant 50 microns de diamètre. Ainsi pour chaque matériau, deux têtes d’impression dédiées peuvent travailler en synchronie.

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Toujours dans le domaine de la fabrication additive multi-matériaux et multicolore, la nouvelle technologie HP, appelée « multi-jet Fusion™ » et annoncé pour 2016, est basée sur un système de jet d’encre thermique. Prometteuse, cette technique utilise des encres pigmentées CMYK de HP pour fabriquer des pièces en utilisant des matériaux thermoplastiques. Dans l’avenir, HP a annoncé que des céramiques et des métaux pourront également être imprimés.

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Autres matériaux

Biomatériaux

Dans ce contexte, nous avons décidé de ne pas aborder les biomatériaux, comme les tissus osseux ou les médicaments. Aujourd’hui, ils nécessitent des analyses spécifiques et détaillées liées au secteur médical et biomédical.

Céramiques

De nombreuses entreprises comme 3D Systems offrent des machines utilisant des matériaux céramiques mais aussi des systèmes hybrides pour céramique/métal. Les champs d’applications sont : le dentaire, le médical, le biomédical, l’aérospatiale, l’automobile mais aussi les appareils ménagers. Ces matériaux sont généralement résistants à la chaleur, recyclables mais salubres pour les aliments. Les sociétés Materialise et Sculpteo offrent aussi des services d’impression 3D pour des produits à base de céramique.

Aliments

Les aliments imprimés en 3D ont attiré l’attention des médias. Cette technologie permet la créativité culinaire mais offre aussi une réponse à des patients médicaux ayant des problèmes de mastication et la déglutition, comme évaluée pendant le projet européen appelée PERFORMANCE (voir l’article La Commission européenne, un soutien de poids, page 46). Si vous êtes un grand amateur de chocolat, nous vous suggérons d’aller faire un tour vers Choc Creator.

Verre

La poudre de verre est étalée couche par couche, et liée avec de la colle de pulvérisation. Elle est ensuite cuite. Un nouveau procédé vient cependant d’être dévoilé par le Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ce procédé à haute température permet au verre de conserver sa rigidité et sa transparence. Problème essentiel que les anciens procédés, par fusion de particules de verre, par exemple, n’obtenaient pas. Le verre fondu est chargé dans une trémie dans la partie supérieure de la machine, après avoir été recueilli à partir d’un four à soufflage de verre classique. Le matériau est coulé à plus de 1 000 degrés Celsius.

La standardisation internationale des matériaux

Le paysage des standards de la fabrication additive est finalisé par une coopération entre les trois organes principaux et ses comités techniques, comme l’ASTM F42, l’ISO TC 261 et le CEN-CENELEC TC 438. L’ISO et l’ASTM ont signé un « plan conjoint pour le développement des normes de fabrication d’additifs », récemment renouvelé. La normalisation concernant les matériaux utilisés est considérée, par les parties prenantes du monde entier, cruciale pour le développement durable de la technologie.

L’ASTM, l’American Society for Testing and Materials, est mondialement reconnue comme un organisme de standardisation internationale. Il développe et publie des normes techniques consensuelles sur une large gamme de matériaux, produits, systèmes et services, parmi lesquels la fabrication additive occupe une position très importante. L’ASTM a son siège aux États-Unis, à West Conshohocken dans l’état de Pennsylvanie, et des bureaux à Washington, Bruxelles, Ottawa, Beijing et Mexico City. Le Comité F42, fondée en 2009 et géré par Pat Picariello, et les souscomités connexes sous la juridiction de F42, incluent des méthodes de test design, matériaux et procédés, terminologie, planification stratégique et le groupe conjoint avec l’ISO/TC 261. En soulignant l’accent mis sur l’élaboration de normes mixtes, le comité technique ISO-TC261 et l’ASTM F42 sont parvenus à plusieurs accords clés sur les principes directeurs à suivre. Ceux-ci comprennent un ensemble de normes à utiliser partout dans le monde, une feuille de route commune et la structure organisationnelle pour les standards en fabrication additive.

L’ISO est une organisation internationale indépendante et non gouvernementale qui regroupe 162 organismes nationaux de normalisation. Il réunit des experts pour partager les connaissances et développer des standards internationaux, fondés sur le consensus, et qui soutiennent l’innovation. L’ISO TC 261 a été fondée en 2011 et est présidé par Jörg Lenz d’EOS GmbH. Lutz Wrede de DIN gère le secrétariat.

Le comité technique TC438 de CEN CENELEC est présidé par Éric Baustert de l’AFNOR dont le secrétariat est géré par Olivier Coissac de l’UNM. La responsable du programme est Monica Ibido. Le TC 438 a été fondée en 2015. Sa stratégie a été récemment approuvée, le 13 octobre 2015. Ses objectifs sont de standardiser les processus de fabrication additive, les procédures de test, les questions environnementales, les paramètres de qualité, les contrats d’approvisionnement, les principes fondamentaux et les vocabulaires. Il fournit un ensemble complet de normes européennes basées, autant que possible, sur les travaux de normalisation internationale. L’objectif est d’appliquer l’accord de Vienne avec l’ISO/TC 261 pour assurer la cohérence, l’harmonisation et renforcer les liens entre les programmes de recherche européens. Il assure la visibilité de la standardisation européenne en centralisant les initiatives de normalisation en Europe.

Les standards sur les matériaux déjà publiés.

ASTM F2924 – 14 – Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium with Powder Bed Fusion.

ASTM F3001 – 14 – Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) with Powder Bed Fusion.

ASTM F3049 – 14 – Standard Guide for Characterizing Properties of Metal Powders Used for Additive Manufacturing Processes.

ASTM F3055 – 14 – Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion.

ASTM F3056 – 14 – Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N06625) with Powder Bed Fusion.

Conclusion

Le développement des systèmes de production et des matériaux avance main dans la main. Nous allons voir, dans les années à venir, la consolidation et l’amélioration des processus existants, ainsi que l’utilisation plus large des systèmes de la fabrication additive. La qualité et le développement de matériaux représentent un des aspects clés de la chaîne de valeur constamment suivie par les industries et les utilisateurs du secteur.

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Sources

10 Reasons Multi-Material 3D Printing is better for your Product Design and Development.

3D Printing Materials Markets : 2014-2025 – Trends, Key Players and Forecasts – Rachel Gordon, Technology Analyst IDTechEx.

Advances in Non-Conventional Materials Processing Technologies – Selected, Peer Reviewed Papers from the 4th Manufacturing Engineering Society International Conference, September 2011, Cadiz, Spain.

Mechanical Testing and Properties, Askeland, D.R., in The Science and Engineering of Materials, 2nd edition, PWS-KENT Publishing Co., 1989, pp. 145–181.

Complex metallic alloys as new materials for additive manufacturing, Samuel Kenzari, David Bonina, Jean-Marie Dubois et Vincent Fournée Institut Jean Lamour, UMR 7198 CNRS-Université de Lorraine, 54011 Nancy, France.

Embrittlement, Courtney, T.H., in Mechanical Behavior of Materials, 2nd edition, McGraw-Hill Book Co., 2000.

Introduction to Powder Metallurgy by European Powder Metallurgy Association, G. Dowson (1992)-D. Whittaker.

Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials F.C. Campbell, 2006, Elsevier, Powder Metallurgy Review, Spring 2014 – Vol. 3 N°01.

Nickel and Cobalt Alloys, Smith, W.F., in Structure and Properties of Engineering Alloys, 2nd edition, McGraw-Hill, Inc., 1993, pp. 487–536.

Wohlers Report 2015, pp 51-64.

 

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