Dans le cadre de nos efforts continus pour mettre en avant les solutions favorisant l’adoption de la fabrication additive (FA) dans les applications pour véhicules électriques (VE), nous sommes tombés sur le projet « Dauerpower » — une collaboration entre l’Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM), Bosch et Porsche.
Ensemble, ils ont développé un onduleur de puissance haute performance conçu pour répondre aux exigences élevées des véhicules électriques de nouvelle génération. Offrant une puissance de crête pouvant atteindre 720 kilowatts, l’onduleur exploite la technologie des semi-conducteurs au carbure de silicium (SiC) ainsi que des composants de refroidissement imprimés en 3D.
Fondamentalement, l’utilisation de transistors en SiC permet une stabilité de charge à long terme tout en réduisant considérablement les pertes d’énergie. Cette initiative, associée à une récente couverture de 3D ADEPT Media, a soulevé plusieurs questions sur la fabrication de pièces en carbure de silicium, un domaine qui s’étend bien au-delà des semi-conducteurs et qui mérite un examen plus approfondi pour en saisir pleinement le potentiel industriel.
Décrit comme le troisième matériau le plus dur au monde, le carbure de silicium est non seulement très demandé, mais il est également complexe, en particulier pour ceux qui ne le connaissent pas bien. Ce composé de silicium (Si) et de carbone (C) existe sous plusieurs formes cristallines, mais toutes ne sont pas adaptées à la fabrication additive (FA).
En mettant l’accent sur les céramiques en carbure de silicium (SiC), c’est ce que Johannes Homa, CEO et fondateur de Lithoz, une entreprise spécialisée dans l’impression 3D céramique, souligne d’emblée :
« Les céramiques en carbure de silicium (SiC) se présentent sous plusieurs formes selon leur mode de fabrication. J’ai résumé ici les types les plus courants :
- SSiC – Carbure de silicium fritté : il s’agit du SiC sous sa forme céramique la plus pure. Il s’agit d’une poudre de SiC très fine pressée et cuite à très haute température jusqu’à ce que les particules fusionnent en une pièce solide. Cela le rend exceptionnellement solide, dur (presque aussi dur que le diamant) et chimiquement inerte, avec une densité comparable à celle d’autres céramiques. Il est important de noter que le SSiC reste robuste même à très haute température ; il ne perd pratiquement rien de sa résistance jusqu’à environ 1 600 °C. En bref, le SSiC est une céramique pure haute performance, idéale pour les applications exigeantes qui nécessitent une résistance mécanique et thermique maximales.
- SiSiC – Carbure de silicium infiltré de silicium : dans ce type, le carbure de silicium est « collé » par une réaction avec du silicium métallique fondu. La fabrication se déroule en deux étapes : on forme d’abord une pièce en SiC à partir de poudres grossières (souvent mélangées à du carbone), qui est ensuite infiltrée de silicium liquide. Le silicium est absorbé lorsqu’il fond pendant le chauffage et réagit ensuite avec le carbone (provenant du liant et également ajouté) pour créer davantage de SiC, liant ainsi l’ensemble.
On obtient ainsi un composite : principalement du SiC, mais avec des résidus de silicium métallique comblant les interstices (généralement environ 10 à 15 % en volume). C’est pourquoi on l’appelle parfois « SiC lié par réaction » (ou RB-SiC). Il est plus facile à fabriquer dans des formes complexes, car il ne rétrécit pas et peut être fritté à des températures plus basses. En raison de la présence de silicium dans le matériau, il n’a pas la même résistance mécanique et n’est pas aussi résistant à la chaleur que le SSiC. Le silicium résiduel constitue en quelque sorte un maillon faible. Il limite la température maximale d’utilisation (le silicium libre fond à environ 1 414 °C, de sorte que ces pièces ne peuvent généralement être utilisées en toute sécurité que jusqu’à environ 1 350 °C avant de ramollir). De plus, le silicium supplémentaire peut légèrement réduire la dureté et la pureté globales de la céramique. Néanmoins, le SiSiC est très prisé pour des applications telles que les composants de fours et les accessoires de cuisinières, où la fabrication de pièces complexes et de grande taille présentant une bonne résistance aux chocs thermiques l’emporte sur le besoin d’une résistance mécanique ultra-élevée. »
Cela dit, compte tenu de son utilisation croissante dans les dispositifs à semi-conducteurs au sein de diverses industries, le SiC est considéré comme un matériau céramique industriel important pouvant être utilisé à des fins structurelles. Sarah Diener, responsable de la fabrication additive chez KYOCERA Fineceramics Precision GmbH, bureau de services d’impression 3D céramique, explique :
« Le SiC, connu pour sa grande rigidité et son faible coefficient de dilatation thermique, est souvent utilisé pour les composants structurels. Pour ces derniers, le poids est un facteur important. L’optimisation de la conception permet d’envisager des structures légères, ce qui se traduit par des géométries de pièces complexes. Ces géométries ne peuvent souvent être réalisées que par fabrication additive. »
Approches de fabrication additive pour les pièces en carbure de silicium
Tout d’abord, le SSiC – carbure de silicium fritté
Pour mémoire, dans les approches de fabrication conventionnelles, le carbure de silicium fritté (SiC) est souvent traité par pressage isostatique à froid (CIP), moulage par injection ou frittage sans pression.
L’impression 3D du SiC peut s’avérer difficile, principalement en raison du point de fusion élevé du matériau et de la nécessité de disposer d’équipements et de techniques spécialisés. En raison de ces contraintes de frittage, on peut affirmer que le SSiC (carbure de silicium fritté) n’est pas encore courant dans la production industrielle par FA.
FR: Eric Geboers, fondateur de CONCR3DE
« Les propriétés du carbure de silicium sont particulièrement pertinentes pour les développements actuels de l’industrie, en termes de dureté, de durabilité dans des conditions extrêmes, de propriétés semi-conductrices, de ténacité et de très faible coefficient de dilatation thermique.
Il est particulièrement intéressant pour la fabrication additive car la méthode de fabrication traditionnelle implique l’usinage du matériau, ce qui est à la fois lent et, en raison de la dureté du matériau, très exigeant pour l’outillage utilisé. Avec l’impression 3D, de nombreuses formes peuvent être réalisées très rapidement avec une usure bien moindre de l’outillage », explique Eric Geboers, ajoute le fondateur de CONCR3DE.
Même si divers procédés de post-impression 3D sont nécessaires pour obtenir la pièce souhaitée, les procédés de fabrication additive les plus couramment utilisés qui pourraient être explorés pour traiter ce matériau comprennent : la fabrication de céramique par lithographie (LCM), la projection de liant, l’écriture directe à l’encre (DIW) et la stéréolithographie (SLA). Cependant, la plupart des applications de ces technologies en sont encore au stade de la recherche.
Soulignant les défis liés à l’étape de post-traitement, le fondateur de CONCR3DE a déclaré que cela nécessitait des connaissances spécialisées et des fours. « Si vous traitez déjà le carbure de silicium, adopter l’impression 3D sera facile car il s’agit d’une technologie connue ; si vous êtes un nouveau prestataire de services cherchant à produire des pièces en carbure de silicium, la courbe d’apprentissage sera plus raide. Ce problème peut être résolu en collaborant avec des fournisseurs de fours reconnus qui possèdent le savoir-faire nécessaire au post-traitement du carbure de silicium, mais ce matériau présente certaines particularités qui le distinguent des métaux ou des plastiques », ajoute-t-il.
FR: Crédit : Kyocera – Pièce présentant une géométrie complexe réalisée par FA
« En raison de ses propriétés uniques et du fait qu’il nécessite un frittage à des températures exceptionnellement élevées, le SiC est difficile à traiter thermiquement, quelle que soit la technologie utilisée. Les procédés traditionnels ont bien sûr une expérience bien plus grande avec ce matériau, mais les défis thermiques restent fondamentalement les mêmes.
La température de frittage du carbure de silicium (SiC) se situe généralement autour de 2 200 °C. Le SSiC (carbure de silicium fritté) est le SiC sous sa forme céramique la plus pure. Comme mentionné, cela rend les pièces fonctionnelles en carbure de silicium extrêmement durables ; elles ne perdent pratiquement rien de leur résistance à des températures allant jusqu’à 1 600 °C.
Cependant, outre la consommation d’énergie extrêmement élevée du traitement thermique, ces exigences sont difficiles à satisfaire. Une solution viable pour un traitement plus aisé a été trouvée : le SiSiC (carbure de silicium infiltré de silicium). En bref, le carbure de silicium est « collé » par réaction avec du silicium métallique fondu. Il s’agit d’un processus en deux étapes : tout d’abord, une pièce en SiC à base de poudre grossière est formée, puis trempée dans du silicium liquide.
Pendant le processus de chauffage, le silicium réagit avec le carbone. Il en résulte un matériau composite appelé SiSiC. Il ne rétrécit pas et peut être fritté à des températures plus basses. Cependant, la présence de silicium signifie que le SiSiC n’est pas aussi solide ni aussi résistant à la chaleur que le SiC ; ces pièces ne sont généralement sûres que jusqu’à environ 1 350 °C avant de ramollir », confirme Homa.
En ce qui concerne les procédés d’impression par lithographie, il a expliqué qu’ils se heurtaient à la difficulté posée par la couleur sombre du matériau, qui absorbe la lumière nécessaire à l’exposition des couches.
Deuxièmement, le SiSiC – carbure de silicium infiltré de silicium
La plupart des pièces en SiC issues de la fabrication additive sont aujourd’hui en SiSiC, car ce matériau est plus facile à traiter.
Homa explique à 3D ADEPT Media qu’il existe un intérêt croissant pour les technologies à base de boue et leur capacité à traiter le SiSiC. Ces technologies comprennent le LIS (Laser-Induced Slip casting) et le LSD-Print (Layerwise Slurry Deposition) ; elles sont développées par le BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) et commercialisées par Lithoz.
« Ces deux technologies en sont encore à leurs débuts. Néanmoins, la trajectoire actuelle est prometteuse. La recherche, le développement et les investissements s’accélèrent, et une fois que l’approvisionnement en matériau, la fiabilité du procédé et les chaînes de post-traitement seront mieux établis, nous pouvons nous attendre à une croissance rapide de l’adoption de ces technologies à l’échelle industrielle », note Homa.
Cependant, tous les experts ayant contribué à ce dossier mentionnent le jet de liant comme le procédé de FA ayant permis de produire avec succès des pièces en SiSiC.
FR: Sarah Diener, responsable de la FA chez KYOCERA Fineceramics Europe GmbH
« Le SiSiC n’est pas une céramique classique », a déclaré Sarah Diener. « Il n’est pas fritté, mais imprégné de silicium liquide. Le silicium liquide réagit avec le carbone présent dans la préforme imprimée et forme du SiC secondaire. Le silicium n’ayant pas réagi comble les pores du matériau. Contrairement à la FA des polymères ou des métaux, la FA céramique nécessite un traitement thermique, généralement une étape de frittage, pour obtenir la pièce céramique finale. La méthode de FA sert essentiellement à façonner la pièce. [Le jet de liant] est le procédé de FA idéal pour ce matériau, car la taille des particules utilisées est relativement élevée, ce qui confère au matériau une bonne fluidité pour le dépôt de poudre. En raison du processus d’infiltration, la porosité qui subsiste dans la pièce après l’impression n’est pas un inconvénient, mais est même nécessaire, contrairement à ce qui se passe lors d’une étape de frittage classique. De plus, de nombreuses pièces en SiSiC sont de grandes pièces céramiques, ce qui rend le jet de liant plus adapté que, par exemple, le jet de matière. D’autres méthodes comme le VAT sont difficiles à mettre en œuvre en raison de la forte absorption du SiC. »
FR: Mandrin pour plaquette en SiSiC, imprimé en 3D avec Armadillo _ Crédit : CONCR3DE
Geboers complète ces déclarations en mettant en avant un indicateur de performance clé du processus de fabrication par jet de liant :
« Il existe une bonne compatibilité technologique entre le SiSiC (carbure de silicium infiltré de silicium) et l’impression par jet de liant. L’impression par jet de liant d’un corps en carbure de silicium donne généralement un corps vert poreux, qui se prête parfaitement à l’infiltration de silicium, un procédé déjà bien connu dans l’industrie céramique.
De plus, comme il s’agit d’une infiltration de silicium plutôt que d’un frittage, le retrait lors des étapes de post-traitement est absolument minime. Cela permet ainsi à l’utilisateur de fabriquer des pièces de très grande taille avec des tolérances élevées.
Un indicateur de performance typique et important d’une pièce en SiSiC est sa densité, qui dépend à la fois de la façon dont le corps vert est fabriqué dans l’imprimante et de la manière dont le post-traitement est effectué.
En général, une densité finale plus élevée nécessite une stratégie d’impression et de post-traitement plus complexe. Il est possible d’obtenir un SiSiC assez simple, d’une densité de 2,8 g/cm³, simplement en imprimant un liant aqueux, puis en procédant au déliantage et à l’infiltration.
Des densités plus élevées peuvent être obtenues en ajoutant du carbone à la poudre et en utilisant des encres chargées de particules, ce qui augmente considérablement la densité du corps vert. Il est également possible d’ajouter du carbone au corps vert en trempant les pièces dans de la résine puis en les pyrolysant – ce procédé implique toutefois l’utilisation de produits chimiques plutôt nocifs, et chez CONCR3DE, nous croyons fermement en la durabilité.
La méthode que nous privilégions et que nous mettons au point avec nos clients consiste donc à utiliser des encres chargées de particules, qui permettent d’atteindre une densité supérieure à 3,05 g/cm³ – ce qui les rend utiles même pour l’industrie des semi-conducteurs. »
CONCR3DE a déjà produit des pièces de petite taille (jusqu’à 40 µm) et de très grande taille (jusqu’à 2 mètres de longueur). Ces pièces font généralement l’objet d’un traitement post-impression par infiltration de silicium, mais elles peuvent également être traitées par SPS (frittage par plasma d’étincelles) pour obtenir des pièces de petite taille à haute résolution et haute densité.
Principales applications des pièces en SiSiC (carbure de silicium infiltré de silicium) imprimées en 3D
Les pièces en SiSiC (carbure de silicium infiltré de silicium) imprimées en 3D sont déjà utilisées dans l’industrie, et le procédé est évolutif grâce à la disponibilité d’imprimantes grand format initialement développées pour l’impression sur sable.
Les trois experts identifient l’industrie des semi-conducteurs comme le principal bénéficiaire de ce matériau. Même si cela n’est pas directement lié au SiSiC, Homa l’a récemment mis en avant comme un catalyseur clé dans les applications des semi-conducteurs lors de cet entretien avec 3D ADEPT Media.
Au-delà du domaine des semi-conducteurs, Homa explique que les composants nécessitant une conductivité thermique élevée, une grande résistance (même à des températures élevées), une faible masse et une résistance à l’usure pourraient tirer parti de ce matériau.
Les applications en dehors du domaine des semi-conducteurs comprennent donc les conducteurs non linéaires, les applications liées à l’énergie atomique et la technologie spatiale.
« Nous constatons un intérêt croissant de la part des secteurs de la défense et de l’aérospatiale, où les composants à base de SiC sont utilisés dans des applications telles que les silencieux d’armes à feu, les optiques, les ogives de fusées, les boucliers thermiques et les gilets pare-balles. L’industrie nucléaire constitue un autre domaine à fort potentiel, et même le secteur automobile explore son utilisation, par exemple dans les disques de frein haute performance », conclut Geboers.
Conclusion
FR: Crédit : Kyocera – Pièce présentant une géométrie complexe réalisée par FA
Le SSiC reste prometteur en raison de sa pureté et de sa résistance mécanique supérieures, mais son adoption dans la fabrication additive reste freinée par les limites du frittage.
Cependant, alors que le SiSiC gagne du terrain dans la fabrication additive, son adoption croissante dans des secteurs tels que la défense, les semi-conducteurs et l’optique confirme à la fois sa pertinence technique et son évolutivité.
Pour l’instant, seule la projection de liant est à l’avant-garde. Les technologies de FA à base de boue – comme celles explorées par Lithoz – pourraient ouvrir de nouvelles voies pour le traitement de pièces encore plus complexes ou exigeantes en termes de performances. À mesure que les matériaux et les capacités des machines continuent d’évoluer, nous suivrons de près la manière dont ces technologies et d’autres pourraient permettre de traiter davantage le carbure de silicium et de l’intégrer dans le monde en pleine expansion de l’impression 3D céramique.
Notes de la rédaction
Réputée pour ses procédés d’impression basés sur la lithographie, Lithoz est un fournisseur mondial de matériaux céramiques haute performance et d’imprimantes 3D, déterminé à repousser les limites de la production céramique. L’entreprise a été invitée à figurer dans ce dossier en raison du potentiel que ses technologies d’impression LIS et LSD recèlent pour le SSiC. Même si elle reste encore discrète sur ces technologies, l’entreprise recherche actuellement des partenaires ayant besoin de SSiC.
CONCR3DE a attiré notre attention pour la première fois il y a quatre ans par son travail dans le secteur de la construction. Aujourd’hui, l’entreprise élargit sa base installée tout en qualifiant des céramiques techniques avancées, notamment l’alumine, la zircone et le carbure de silicium. En affinant les matières premières, la composition chimique des liants et les paramètres d’impression, CONCR3DE est capable de produire à la fois des composants petits et complexes et des pièces grandes et complexes, avec des propriétés matérielles adaptées aux applications spécifiques des clients.
KYOCERA Fineceramics Europe GmbH, filiale de KYOCERA Europe GmbH, fournisseur de composants céramiques de pointe pour l’industrie technologique, a récemment mis en place un procédé de fabrication additive de composants en carbure de silicium (SiSiC) sur son site de Selb, en Allemagne. Sarah Diener travaille sur la FA du SiSiC depuis plus de 8 ans et est responsable de l’équipe de R&D en FA chez KYOCERA Fineceramics Europe à Selb.
