Magazine Mardi 26 juin 2018 - 07:00

Les nouveaux matériaux en fabrication additive

Partagez cette news :

Technologie_optoelectronique_injectable_A3DM

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. Au cœur même de la fabrication, ils sont en constante évolution. Analyse et explications !

Bien que la définition de la « fabrication additive » soit universellement acceptée par les principaux organismes de standardisation, cette technologie regroupe une série de processus et de technologies différentes, liées aux diverses utilisations des matériaux. Le tableau 1 montre les sept procédés de fabrication additive standard et les matériaux qui y sont associés.

Image
Procedes & matériaux en fabrication additive A3DM

La croissance des matériaux en parallèle de celle de la fabrication additive

SmarTech Publishing estime qu’environ 13 milliards de dollars US ont été dépensés au cours des quatre dernières années dans l’impression 3D, comprenant l’achat d’imprimantes 3D, de matériaux, de logiciels et des services. La moitié de cette somme a été dépensée au cours de la seule année 2017. L’enquête prévoit que plus de 280 milliards de dollars seront investis dans la fabrication additive au cours des dix prochaines années. Selon le cabinet d’études A.T. Kearney, la technologie pourrait tripler « sa valeur marchande de 8,8 milliards de dollars aujourd’hui à plus de 26 milliards de dollars d’ici à 2021 ». Le prix de vente moyen (PVM) d’un système industriel de fabrication additive (c’est-à-dire d’un système de plus de 5 000 dollars US) était de 104 000 dollars US en 2016, contre 97 000 dollars US en 2015, et 87 000 dollars US en 2014 (figure 2). Celui-ci a diminué jusqu’en 2010, année durant laquelle il était de 62 000 dollars US, puis a repris à la hausse, notamment en raison du développement des systèmes métalliques haut de gamme.

Les revenus mondiaux des produits de fabrication additive, quant à eux, se sont élevés à 3,133 milliards de dollars US en 2017, soit une hausse de 17,4 % par rapport aux 2,669 milliards de 2016. Parmi ceux-ci, les systèmes et les produits ont représenté 1 999 dollars US en 2016 (+ 14,9 % par rapport à 2015). Les services de fabrication additive ont augmenté de 23,8 % pour atteindre 4,202 milliards de dollars US en 2017 contre 3,395 milliards en 2016, soit une hausse de 33 % par rapport à 2015.

Image
Prix de vente moyen des systèmes industriels en fabrication additive A3DM

Le marché des matériaux

Le marché des matériaux a atteint en 2017 la valeur de 1,13 milliard de dollars US. Les photopolymères représentent le segment le plus important, suivis par les polymères et les filaments de frittage laser. Les métaux ne représentent que 16,2 % du marché, tandis que les autres matériaux comme la céramique sont encore une catégorie mineure avec 2,2 % (figure 3).

Image
Segments de marché des matériaux 2018 A3DM

Les thermoplastiques sont la principale catégorie de photopolymères utilisés dans la fabrication additive.

• L’ABS (acrylonitrile butadiène styrène) est le plastique de la marque Lego®. Il est très apprécié dans l’impression 3D pour sa résistance, sa souplesse, sa possibilité d’usinage et sa résistance à une température élevée.

• Le PA (polyamide) est le polymère le plus couramment utilisé dansles procédés de fusion sur lit de poudres (Powder Bed Fusion) etde frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering - SLS). Le nylon, par exemple, est un polyamide synthétique.

• Le PC (polycarbonate) est un thermoplastique qui nécessite une buse à haute température.

• Le PLA (acide polylactique) est disponible dans des nuances douces et dures. Il est créé à partir 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 applications spéciales.

• Le SOFT PLA ou PLA DOUX est caoutchouteux et flexible, disponible dans des couleurs limitées.

• Le TPU (polyuréthane thermoplastique) offre de la ténacité, de la résistance et de l’élasticité, en particulier le TPU 92A-ULTEM 9085 de Stratasys. Il est un matériau récent avec un rapport poids / résistance très significatif, et particulièrement intéressant pour le secteur de l’aéronautique.

Sur le marché des filaments thermoplastiques, Stratasys est la société qui domine le secteur grâce à ses machines FDM. Il existe cependant des centaines de petits fabricants d’imprimantes 3D et de filaments. Les ventes totales de filaments thermoplastiques ont atteint 225,7 millions de dollars américains en 2017. Ces ventes connaissent depuis deux ans une hausse annuelle de 22,5 % : 184,2 millions de dollars en 2016, 160,6 millions en 2015.

Image
Le développement des photopolymères et des polymères A3DM

Concernant le secteur des métaux, le marché a été de 183,4 millions de dollars US en 2017. Il a progressé de plus de 44 %, une hausse consécutive à celle des années précédentes : 43,9 % en 2016 et 80,9 % en 2015. Les procédés de fabrication additive métallique comme le dépôt d’énergie dirigé (directed energy deposition) et la fusion sur lit de poudre métallique (metal powder bed fusion) sont potentiellement capables de produire des éléments fonctionnels et de haute qualité à partir d’une variété de matériaux métalliques en poudre :

• cobalt-chrome et 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.

Selon le rapport Wohlers 2018, il a été estimé que 1 768 systèmes de fabrication additive métallique ont été vendus en 2017, contre 983 en 2016, soit une augmentation de près de 80 % (figure 6). Cette hausse spectaculaire des ventes de systèmes métalliques est principalement due à l’amélioration des mesures de contrôle des processus et à l’assurance qualité dans les métaux. Ces chiffres montrent également que les industriels, partout à travers le monde, ont pris conscience des avantages de cette technologie. Ainsi, la place des métaux et des polymères au sein du marché de la fabrication additive tend à s’équilibrer. Selon SmarTech, la prévision des revenus pour ces matériaux, en pourcentage de la valeur totale, devrait approcher les 50 / 50 vers 2021.

Image
Ventes des systèmes de fabrication additive métallique A3DM

Standardisation internationale des matériaux

Comme nous ne cessons de le répéter, la normalisation est cruciale pour le développement de la fabrication additive, notamment pour l’adoption « officielle » des matériaux. Le paysage de la normalisation en fabrication additive se caractérise par une coopération étroite entre les trois principaux organes et les comités techniques associés : l’organisme international ISO TC 261, la société américaine pour les essais et les matériaux, l’ASTM, et le CEN-CENELEC TC 438 pour les européens.

Avec l'émergence de la fabrication additive, l’ISO et l’ASTM ont signé un « plan conjoint pour le développement de normes de fabrication additive », récemment renouvelé. Les normes concernant les matériaux sont considérées comme cruciales pour le développement durable du secteur. Plusieurs normes ont déjà été publiées, certifiant de nombreux matériaux (elles sont définies en anglais) :

• F2924-14 Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium with Powder Bed Fusion ;

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

• F3049 - 14 - Standard Guide for Characterizing Properties of Metal Powders Used for Additive Manufacturing Processes ;

• F3055 - 14 - Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion ;

• F3056 - 14 - Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N06625) with Powder Bed Fusion ;

• F3091/F3091M-14 Standard Specification for Powder Bed Fusion of Plastic Materials ;

• F3122-14 Standard Guide for Evaluating Mechanical Properties of Metal Materials Made via Additive Manufacturing Processes ;

• F3184-16 Standard Specification for Additive Manufacturing Stainless Steel Alloy (UNS S31603) with Powder Bed Fusion ;

• F3187-16 Standard Guide for Directed Energy Deposition of Metals.

De nouvelles frontières pour les matériaux

Alors que les projets de recherche et d’innovation sur de nouveaux plastiques et métaux en fabrication additive sont constamment développés, les multimatériaux représentent une catégorie récente et une nouvelle frontière, conduisant à des applications multiples. Ces multimatériaux combinent des caractéristiques, par exemple avec le mélange de matériaux souples et rigides, transparents et opaques, de différentes couleurs. Ils permettent la fabrication de produits composites, intégrant des propriétés différentes de celles des matériaux pris individuellement. Un exemple intéressant est celui de la gamme Objet Connex de Stratasys, qui permet la combinaison de cent vingt-trois matériaux. Les utilisateurs peuvent ainsi sélectionner des matériaux dans une large gamme : du matériau le plus rigide à des substances analogues au caoutchouc ou à l’ABS-plastique, avec des ténacités et des couleurs différentes. Ce système offre la possibilité de combiner jusqu’à quatorze matériaux. Chaque matériau est acheminé à un système liquide dédié qui est ensuite connecté au bloc d’impression, contenant huit têtes d’impression. Chaque tête comprend quatre-vingt-seize buses et chaque matériau a deux têtes d’impression dédiées qui travaillent en synchronie.

La fabrication additive en multimatériaux offre de nombreuses possibilités d'application. Un exemple particulièrement intéressant : celui de l'utilisation de la fabrication additive dans le domaine médical pour un anévrisme de l'aorte abdominale (AAA). Dans ce cas, la fabrication additive est utilisée pour valider les modèles numériques et les modalités d'imagerie. Elle se substitue aux procédés de coulée utilisés habituellement pour reconstruire la géométrie en 3D de la tomodensitométrie scannée du patient. Les méthodes traditionnelles sont progressivement remplacées par des procédés additifs en multimatériaux, qui affichent des propriétés de résistance similaires aux élastomères polydiméthylsiloxane (PDMS) et aux tissus AAA.

Parmi les procédés multimatériaux et multicouleurs les plus importants, on retrouve la nouvelle technologie HP « Multi Jet Fusion™ ». Lancée en 2016, celle-ci est basée sur un système de jet d’encre thermique et utilise des encres pigmentées CMYK (de HP) pour construire des pièces en thermoplastique. La marque a annoncé que cette technologie permettrait également de traiter des céramiques et des métaux.

Il existe des systèmes hybrides mélangeant la céramique et le métal.

Les matériaux émergents

De nombreux autres matériaux sont utilisés en fabrication additive, dont certains tiennent, derrière les polymères et les métaux, une place d'importance, notamment pour les secteurs industriels. Ainsi, de nombreuses entreprises vendent des machines utilisant des matériaux céramiques ou encore des systèmes hybrides mélangeant la céramique et le métal. Pour ces derniers, les principaux champs d’applications sont le dentaire, le médical, le biomédical, l’aéronautique, le spatial, l’automobile ou encore les appareils ménagers. Ces matériaux sont généralement résistant à la chaleur, recyclables et garantis sains pour l’alimentation.

Des alimentss’impriment également en 3D. Cette technologie à la base de nouvelles créations culinaires, en vogue auprès des médias, apporte également des solutions dans le domaine médical, pour des problèmes de mastication ou encore de déglutition. Le projet européen « Performance » s’est penché sur le sujet. (Nous l’aborderons sans doute dans un prochain numéro.) Pour les fans de chocolat, nous vous suggérons de regarder du côté de Choc Edge (www.chocedge.com).

Enfin, il nous parait intéressant de mentionner la poudre de verre, dont le procédé d'impression est parmi les plus étonnants : répartie couche par couche, liée avec de la colle pulvérisée, la poudre de verre est ensuite cuite dans un produit de verre imprimé en 3D.

Des applications futuristes… mais réelles

La fabrication additive s’est également tournée vers des applications plus originales, dans divers domaines tels que l’électronique, les capteurs, la microfluidique ou encore l’ingénierie tissulaire. Cette technologie permet la fabrication de macro et microstructures 3D en ajoutant des matériaux couche par couche. Différents systèmes de fabrication additive, tels que l’impression 3D à micro- ou nanoéchelle, le bioprinting ou encore l’impression 4D, ont été développés en tant que procédés de nouvelle génération. Ils permettent de fabriquer des entités 3D complexes à haute résolution, en multimatériaux ou avec de multiples fonctionnalités.  Le développement de matériaux fonctionnels avancés est important pour la mise en œuvre de ces procédés innovants, qui ont montré un grand potentiel pour la fabrication de structures 3D. L’incorporation de nanomatériaux conducteurs dans les processus de fabrication additive à haute résolution a, par exemple, considérablement simplifié les processus de microfabrication pour les dispositifs électroniques. La combinaison d’hydrogels biologiquement pertinents et de composants vivants s’est également avérée être une approche efficace pour fabriquer des tissus ou des organes vivants en 3D, avec des types de cellules multiples ainsi que des micro- et nano-architectures biomimétiques. Mentionnons également les matériaux intelligents combinés avec la fabrication additive qui ont créé un nouveau domaine de recherche : l’impression 4D. Bien que les explorations existantes en soient encore à leurs débuts, ces stratégies matérielles avancées accéléreront certainement l’innovation dans divers domaines.

Matériaux conducteurs pour l’impression 3D à l’échelle micro- / nanométrique

Les matériaux conducteurs jouent un rôle important dans les appareils électroniques modernes: électrodes, capteurs, électronique flexible et microbatteries... La fabrication additive à l'échelle micro- / nanométrique peut constituer une alternative prometteuse efficace et économique. Les techniques d'impression 3D à l'échelle micro- / nanométrique utilisées pour la fabrication de d'éléments conducteurs comprennent principalement le jet de matériaux, l'extrusion de matériaux et l'impression électrohydrodynamique (EHD).

Différents matériaux et composites ont été développés dans ce domaine. Les architectures imprimées en 3D à l’échelle micro- / nanométrique avec des matériaux conducteurs ont montré un grand potentiel pour les perspectives futures de l’électronique, des capteurs et d’autres dispositifs conducteurs.

Le métal possède également des valeurs de conductivité électrique très élevées (5 % à 100 % de conductivité), ce qui convient à la fabrication d’électrodes et d’interconnexions conductrices. Les microbatteries fabriquées à partir d’ions lithium ou de zinc ont une densité énergétique plus élevée et sont prometteuses dans les dispositifs microélectroniques et biomédicaux à alimentation autonome.

Contenu Encadré

Péricarde électronique en 3D

Des membranes élastiques ultraminces en 3D, façonnées pour correspondre à l’épicarde, servent de plates-formes pour des ensembles déformables de capteurs multifonctionnels, de composantes électroniques et / ou optoélectroniques. De tels dispositifs tégumentaires enveloppent complètement le cœur, de manière ajustée, pour fournir une interface biotique / abiotique mécaniquement stable pendant les cycles cardiaques normaux. Ces systèmes forment un « péricarde artificiel » avec des capacités fonctionnelles avancées de détection et de stimulation, pertinentes pour les études de base et l'utilisation clinique.

Image
Pericarde_electronique_3D_A3DM

Biomatériaux pour le bioprinting

Les biomatériaux sont largement utilisés pour imiter la matrice extracellulaire pour les cultures de cellules et de tissus dans les domaines de l’ingénierie tissulaire, de la biomédecine, dans les dispositifs d’organes sur puce et les dispositifs de libération de médicaments. Le bioprinting a été améliorée pour répondre aux demandes de tissus vivants fonctionnels complexes en 3D, avec un contrôle spatial du microenvironnement. Certains biomatériaux ont été largement utilisés dans le bioprinting, tels que les biocéramiques et les biomatériaux métalliques. Par exemple, les biomatériaux de phosphate de calcium comprenant l’hydroxyapatite (HA), le phosphate tricalcique (TCP), le bioverre (notamment le bioverre 45S5) et les verres bioactifs 13-93 présentent une excellente compatibilité et une similarité de composition avec les os et les dents. Par conséquent, ils sont utilisés dans la production d’échafaudages poreux pour la régénération osseuse et tissulaire. Les biomatériaux métalliques, comme les matériaux à base de titane, sont imprimés en utilisant le procédé de fusion sur lit de poudre avec la taille de pores minimisée de 400 μm.

Matériaux intelligents pour l’impression 4D

Les matériaux intelligents sont définis comme des matériaux sensibles au stimulus. Ils peuvent ainsi changer de forme ou de propriétés fonctionnelles sous certains stimuli tels que la température, un solvant, un changement de pH, l’électricité ou encore la lumière. La combinaison de la fabrication additive avec des matériaux intelligents a créé un domaine de recherche prometteur. Par rapport aux procédés classiques, l’impression 4D offre de nouvelles possibilités de fabrication de structures et de dispositifs dynamiques ou intelligents. Bien qu’il s’agisse d’une technique émergente, de nombreuses explorations ont été faites dans divers domaines.

Conclusions et perspectives futures

Les progrès récents dans le développement des matériaux fonctionnels pour les nouveaux procédés de fabrication additive ont amélioré la précision de la conception et les complexités fonctionnelles des structures imprimées. Il est devenu possible de concevoir des structures complexes avec de multiples caractéristiques telles que l’électroconductibilité, la détection, la biocompatibilité ou la réactivité à un stimulus. Tous ces matériaux élargiront considérablement les champs d’application de la prochaine génération d'imprimantes 3D.

Contenu Encadré

Systèmes microfluidiques à même la peau

Des systèmes microfluidiques souples et extensibles, intégrant de l’électronique de communication sans fil et pouvant se greffer à la surface de la peau sans irritation chimique ou mécanique, ont été développés. Ces systèmes peuvent réagir à différents stimuli tels que la transpiration, en initiant spontanément le routage de la sueur à travers un réseau microfluidique et un ensemble de réservoirs. Les réactifs chimiques incorporés répondent de manière colorimétrique aux marqueurs tels que les ions chlorure et hydronium, le glucose et le lactate. Les interfaces sans fil pour le matériel de capture d’image numérique sur un smartphone servent de moyen de quantification.

Image
Systeme_microfluidique_peau_A3DM
Contenu Encadré

Groupes mixtes entre l’ISO / TC 261 et l’ASTM F42 impliquant les matériaux

JG51: Terminology

JG52: Standard Test Artifacts

JG53: Requirements for Purchased AM Parts

JG54: Design Guidelines

JG55: Standard Specification for Extrusion Based Additive Manufacturing of Plastic Materials

JG56: Standard Practice for Metal Powder Bed Fusion to Meet Rigid Quality Requirements

JG57: Specific Design Guidelines on Powder Bed Fusion

JG58: Qualification, Quality Assurance and Post Processing of Powder Bed Fusion Metallic Part

JG59: NDT for AM Parts

JG60: Guide for Intentionally Seeding Flaws in Additively Manufactured (AM) Parts

JG61: Guide for Anisotropy Effects in Mechanical Properties of AM JG62: Guide for Conducting Round Robin Studies for Additive Manufacturing

JG63: Test Methods for Characterization of Powder Flow Properties for AM Applications

JG64: Specification for AMF Support for Solid Modeling: Voxel Information, Constructive Solid Geometry Representations and Solid Texturing

JG65: Specification for Additive Manufacturing Stainless Steel Alloy with Powder Bed Fusion

JG66: Technical Specification on Metal

Newsletter

Ne manquez plus aucune info sur la fabrication additive