Matériau « star » de l’impression 3D, le métal suscite aujourd’hui les convoitises de nombreux fabricants d’imprimantes 3D et d’industriels à travers le monde. Parce qu’elle permet la fabrication de composants fonctionnels et de haute qualité en répondant aux besoins de nombreux domaines d’applications, la fabrication additive métallique monte en puissance dans de nombreux secteurs d’activité. Pendant qu’aux quatre coins du globe, les constructeurs historiques et des start-up innovantes développent des solutions de plus en plus abordables et performantes, les cas d’applications se multiplient. PRIMANTE3D dresse un panorama de cette diversité à travers 12 exemples concrets de pièces métalliques fabriquées par impression 3D. Parce qu’elles touchent à des secteurs industriels soumis à des exigences réglementaires et de sécurité élevées, la plupart des pièces mentionnées ci-dessous ont été certifiées.
Un collecteur d’admission pour un pick-up Ford
Précurseur dans l’utilisation de l’impression 3D, le géant de l’automobile Ford dispose d’un parc exhaustif de machines lui permettant de répondre à un large éventail d’applications. Son dernier fait d’armes est une collecteur d’admission monté sur un pick-up « Hoonitruck ». Selon le constructeur américain il s’agirait de la plus grande pièce métallique imprimée en 3D jamais installée sur un véhicule en fonctionnement.
Connue aussi sous le nom de répartiteur, cette pièce très importante dans la performance du moteur, a été imprimée en 5 jours sur une poudre aluminium à l’aide d’une Concept Laser X Line 200R. Allégé de 6 kg par apport à l’original grâce à une conception optimisée, le collecteur en question a été installé au-dessus d’un moteur EcoBoost V-6 de 3,5 litres à double turbocompresseur.
Airbus : une pièce métallique imprimée en 3D pour son A350
En septembre 2017, le géant européen de l’aéronautique Airbus avait revendiqué l’installation de la première pièce métallique imprimée en 3D sur l’un de ses appareils de série A350 XWB. Mesurant 155 x 74 x 65 mm, cette pièce de support réalisée dans l’usine Airbus de Saint-Eloi a été installée sur le mat qui relie le réacteur à la voilure. Le composant a été imprimé selon un procédé d’impression 3D métal par faisceau d’électrons Electron Beam Melting (EBM) sur une machine du fabricant suédois Arcam.
Autre composant métallique réalisé par l’avionneur européen, une cloison destinée à son A320. Annoncé comme le plus grand composant de cabine d’avion imprimé en 3D, cette cloison fabriquée sur trois imprimantes 3D métal différentes est 45% plus légère que ses homologues traditionnelles.
L’impression 3D métal pour des aubes de turbine
Dans le secteur de l’énergie, autre domaine d’application phare de la fabrication additive, les aubes de turbines à gaz réalisées par Siemens sont un autre exemple concret d’utilisation. Fruit du rachat du spécialiste britannique de la fabrication additive Materials Solutions en 2016, ces pièces métalliques avaient été testées avec succès par le géant allemand de l’électronique.
Conçues avec un design optimisé pour améliorer la capacité de refroidissement, les aubes ont été montées sur une turbine Siemens SGT-400 lancé à 13 000 tours par minute et une température de 1 250°C. Une machine exploitant la technologie SLM (Selective Laser Melting), et une poudre de nickel polycristallin ont été utilisés pour ces pièces métalliques.
Des implants en titane imprimés en 3D
Le médical constitue l’un des trois secteurs phares d’applications de l’impression 3D. Outre les matériaux à base de résines et filaments polymères utilisés pour les prothèses de membres, les modèles médicaux et les appareillages dentaires imprimés en 3D, le métal tient aussi une place grandissante dans le domaine de la santé. En chirurgie de plus en plus de professionnels tirent profits du potentiel de personnalisation de la fabrication additive pour fabriquer des implants en métal sur-mesure pour leur patient.
Confirmant cette tendance, le spécialiste américain des dispositifs médicaux imprimés en 3D 4web, première société à avoir obtenu l’agrément de la FDA, annonçait dernièrement avoir franchi la barre des 30 000 implants imprimés en 3D. Grâce à sa technologie Truss Implant Technology, la société texane fabrique des implants en titane dont la structure en forme d’échafaudage permet de combiner résistance et légèreté tout en favorisant l’ostéo-intégration.
Des miroirs de télescope en aluminium
L’impact grandissant de la fabrication additive dans l’aérospatial s’est notamment traduit en début d’année par une annonce de l’institut allemand Fraunhofer. Spécialisé dans l’optique appliquée et l’ingénierie de précision, l’organisme berlinois a utilisé l’impression 3D pour fabriqué des miroirs de scanner et de télescopes spatiaux.
En utilisant un système d’impression 3D SLM (Selective Laser Melting), l’institut est parvenu à réduire drastiquement leur poids de 75% par apport aux méthodes traditionnelles par usinage. Imprimés sur trois types d’alliages d’aluminium, les miroirs ont présenté des propriétés mécaniques parfois même meilleures que les alliages classiques et avec de surcroît une porosité en dessous 0,05%.
Des bijoux imprimés avec de la poudre d’or
Si les professionnels de la bijouterie utilisent l’impression 3D essentiellement de manière indirecte via la fabrication de moules à cire perdue, l’impression directe de métaux précieux fait l’objet d’expérimentation très prometteuses.
Basé à Paris, le Comité Professionnel de Développement de l’Horlogerie, de la Bijouterie, de l’Orfèvrerie, de la Joaillerie et des Arts de la Table, Francéclat, s’était illustré l’année dernière en dévoilant des bijoux en or directement imprimés en 3D. Issus de plusieurs années de recherches, les bijoux au nombre de 10 constitués de bagues, pendentifs et bracelets, avaient été imprimés selon un procédé d’impression de type SLM sur une poudre d’or gris.
Des supports d’antenne de satellite
Dans une industrie ou chaque gramme en moins représente des économies considérables, la fabrication additive répond parfaitement aux besoins de l’aérospatial. Exemple concret d’application de l’impression 3D métal dans ce secteur, Thales revendiquait il y a deux ans les plus grandes pièces pour le spatial jamais fabriquées en Europe selon cette technologie.
Le groupe français d’électronique spécialisé dans l’aérospatial et la défense, était parvenu à créer des supports d’antenne en aluminium pour des satellites de télécommunication. Grâce à l’optimisation topologique, le poids des supports a pu être réduit de 22 % et les coûts de production de 30 %. Destinées aux satellites Koreasat 5A et Koreasat 7, les pièces métalliques ont été imprimées sur l’imprimante 3D grand format Concept Laser Xline 1000R.
La première hélice de bateau imprimée en 3D
Jusque-là plutôt discrète dans ce domaine, l’impression 3D métal suscite aussi l’intérêt de l’industrie navale. Basé dans le port de Rotterdam, le laboratoire RAMLAB spécialisé dans la fabrication additive pour l’industrie maritime, a certifié en décembre 2017 la première hélice de bateau imprimée en 3D. Testée en conditions réelles de navigation maritime sur un remorqueur Damen Stan Tug 1606, la pièce a parfaitement répondu aux évaluations de conformité.
Mesurant 1350 mm de diamètre pour 400 kg, l’hélice a été imprimée à l’aide d’un bras robotique 6 axes exploitant la technologie WAAM (Wire+Arc Additive Manufacture). Des fils métalliques composés d’un alliage nickel-aluminium-bronze, sont soudés couche après couche à l’aide d’un arc électrique.
Des pièces de moteur de fusée imprimées en 3D
Signe révélateur de sa fiabilité, la fabrication additive métallique est aujourd’hui employée par les plus grands noms de l’aérospatial. Dans ce secteur hyper concurrentiel où l’exigence de sécurité et de performance est à son comble, les acteurs historiques que sont la NASA et Ariane mais aussi les nouveaux venus comme Blue Origin et Relativity Space, ont compris les nombreux bénéfices qu’ils pouvaient tirer de ce procédé.
Entreprise spatiale américaine fondée par le PDG d’Amazon Jeff Bezos, Blue Origin a notamment utilisé l’impression 3D pour son moteur de fusée BE-4. Pièces cruciales dans les performances d’un moteur fusée, les turbopompes ont été fabriquées selon ce procédé. Le boîtier aluminium a été imprimé en une seule pièce ainsi que tous les étages de la turbine hydraulique imprimées à partir de Monel, un alliage de cuivre et de nickel. La plus grande pièce imprimée par la NASA est un système correcteur d’effet POGO pour son moteur de fusée RS-25.
Un étrier de frein imprimé en titane
Utilisateur historique de l’impression 3D, l’industrie automobile a bien compris les enjeux cette technologie et saisi ses opportunités. L’un des derniers exemples en date nous a été fourni en début d’année par le prestigieux constructeur français Bugatti. Mondialement connue pour ses voitures luxueuses, la marque tricolore a utilisé la fabrication additive pour créer un étrier de frein pour sa Bugatti Chiron.
Particulièrement léger, l’étrier de 2,9 kg (contre 4,9 kg avant) est capable de résister à 125 kg de pression par millimètre. Annoncé comme le plus grand composant fonctionnel en titane imprimé en 3D, l’étrier a été imprimé en déposant 2 213 couches de poudre métallique fusionnées par 4 lasers de 400 W. De la phase de conception à la finition, la fabrication de la pièce a durée 3 mois dont 45 heures d’impression.
Le premier pont d’acier réalisé par fabrication additive métallique
Sur le point d’être achevé, le pont en acier de MX3D constitue l’une des structures métalliques les plus impressionnantes réalisées par impression 3D dans le monde. Ce projet fou entrepris par la start-up néerlandaise MX3D, est né en 2015 de l’imagination d’un designer du nom de Joris Laarman. Réalisé en collaboration avec le géant du logiciel Autodesk ABB robotique, Air Liquide et Acelor Mital, le MX3D bridge est un pont pour piéton fabriqué à l’aide d’une imprimante 3D toute particulière, la MX3D Metal.
Le secret de cette machine et sa faculté à réaliser des formes très complexes, repose sur l’utilisation d’un bras robotique 6 axes qui extrude des tiges métalliques en inox et les soude couche par couche. Muni de capteurs pour recueillir des données sur les mesures structurelles, ce pont en acier de 4,5 tonnes pour 12 m de long et 6,3 mètre de large, sera installé l’année prochaine dans le centre d’Amsterdam.
Un drone en titane de 1,8 mètre
Titomic est une start-up australienne qui a développé une technologie de fabrication additive métallique sans laser permettant la fabrication de pièces pouvant mesurer jusqu’à 9 m de long. En mai dernier, la société avait présenté le plus grand UAV (véhicule aérien sans pilote) imprimé en titane, un drone de 1,8 mètre destiné à des applications militaires et de sécurité.
L’appareil a été imprimé sur son système TKF 9000 ; à ce jour la plus grande imprimante 3D métal au monde. Elle fonctionne selon un procédé par pulvérisation à froid qui consiste à projeter de la poudre métallique à très grande vitesse sur un substrat pour faire fusionner les particules.
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