Les petits dispositifs céramiques complexes posent des défis de fabrication. L’impression 3D multi-matériaux permet d’associer plusieurs matériaux dans une pièce, mais la préparation des matières et leur cofrittage restent exigeants. Ce dossier examine les procédés, les applications et les limites de cette approche avec Fraunhofer IKTS, D3-AM et 3DCeram.
Dans ce dossier, « multi-matériaux » désigne la combinaison de plusieurs matériaux au sein d’une même pièce. Il s’agit d’une capacité qui peut être mise en œuvre par différentes familles de procédés de FA. Son intérêt économique dépend de l’application, du développement des matières et des opérations après impression.
En mettant l’accent sur les céramiques techniques, le présent dossier vise à aider les utilisateurs de la FA à comprendre :
- les processus d’impression 3D céramique qui pourraient être exploités pour fournir des applications d’impression 3D multimatériaux viables
- Les types de céramiques techniques qui pourraient être combinés dans l’impression 3D multi-matériaux
- Les applications clés qu’on peut voir prospérer sur le marché
- Les limites que les fournisseurs de solutions de FA doivent surmonter pour favoriser l’adoption de l’impression 3D multi-matériaux
Quel procédé d’impression 3D céramique pour l’impression 3D multi-matériaux ?
Une recherche sur l’impression 3D multimatériaux de dispositifs céramiques fonctionnels révèle que la plupart des dispositifs céramiques fonctionnels, tels que les condensateurs céramiques multicouches, les substrats céramiques multicouches, les filtres, les antennes à puce, les diviseurs de puissance et les duplexeurs, peuvent être fabriqués par un procédé de céramique cofrittée à haute température (en anglais high-temperature cofired ceramic – HTCC) ou par un procédé de céramique cofrittée à basse température (Low-temperature cofired ceramic – LTCC). Le problème est que non seulement ces procédés nécessitent de nombreuses étapes – jusqu’à 9 étapes de fabrication différentes, de la préparation des matériaux pour les rubans céramiques et les pâtes fonctionnelles au post-traitement, mais ils ne sont pas idéaux pour le prototypage rapide et la fabrication à faible coût de dispositifs céramiques fonctionnels miniaturisés, minces, raffinés et hautement intégrés.
La fabrication additive (FA) peut relever ces défis grâce à l’impression 3D multi-matériaux. Tout en tenant compte du fait que les technologies de fabrication additive sont composées de solutions directes et indirectes, le Dr. Uwe Scheithauer, chef de groupe, fabrication additive et hybride au Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, explique : « Avec les technologies indirectes, le matériau de départ est déposé sur l’ensemble de l’espace d’installation, puis consolidé de manière sélective (par exemple, projection de liant, fusion sur lit de poudre, photopolymérisation en cuve), tandis qu’avec les technologies de fabrication additive directe (par exemple, projection de matériau, extrusion de matériau), le matériau est déposé et consolidé uniquement à l’endroit où il est nécessaire.
Pour la réalisation de composants multi-matériaux par FA, les technologies directes présentent l’avantage d’offrir un espace pour le dépôt d’un second matériau directement à côté du matériau déposé, sans qu’il soit nécessaire d’enlever d’abord le premier matériau non consolidé ».
Deux sens du mot « indirect » : Scheithauer distingue ici le dépôt localisé d’un matériau de sa consolidation sélective dans un lit ou une cuve. Plus loin, Waldner emploie « indirect » pour parler de la densification après impression. Une pièce obtenue par dépôt direct peut donc encore nécessiter déliantage et frittage, comme dans le procédé MMJ présenté par Fraunhofer.
Les exemples de procédés de FA mentionnés par Scheithauer figurent dans la liste de la douzaine de procédés de FA identifiés dans un récent dossier sur le paysage actuel de l’impression 3D de céramiques.
Cela signifie que « l’impression multi-matériaux peut être réalisée avec tous les procédés d’impression 3D connus pour les céramiques techniques », note Stefan Waldner de D3-AM GmbH.
« Toutefois, contrairement aux métaux et aux plastiques, les céramiques doivent actuellement être traitées par des méthodes indirectes, ce qui signifie que les pièces vertes doivent encore être traitées thermiquement ou frittées après l’impression.
Dans l’extrusion de matériaux, différentes têtes d’extrusion peuvent être utilisées pour différents matériaux, tandis que dans le procédé DLP, il existe des approches qui impliquent de travailler avec différentes cuves de matériaux, où la pièce est plongée d’une cuve à l’autre et exposée, ce qui permet la production de pièces très précises. Dans le cas de la technologie SLA, le matériau de base est durci par laser et divers matériaux sont combinés à l’aide de systèmes de distribution. Même dans le domaine de la projection de liant, il existe des approches au niveau de la R&D pour appliquer sélectivement différentes poudres et les lier avec un liant appliqué par des têtes d’impression à jet d’encre.
Ce sont là autant de moyens de créer des pièces vertes multi-matériaux, même si cela implique souvent des compromis en termes de déchets de matériaux, de nettoyage, de productivité, etc.
Le processus le plus approprié pour l’impression 3D multi-matériaux pourrait être le jet de matériau (ou une version hybride de celui-ci), où des gouttelettes du matériau de l’objet sont appliquées voxel par voxel via des têtes d’impression à jet d’encre, ce qui permet théoriquement d’appliquer un nombre illimité de matériaux différents. Cependant, il est important de souligner – et c’est probablement la principale raison pour laquelle les applications multimatériaux sont encore rares aujourd’hui – que si l’impression de deux matériaux différents ayant des propriétés différentes est techniquement possible avec un effort raisonnable, le cofrittage (c’est-à-dire le frittage de deux matériaux différents ou plus ensemble) est un défi important dans le domaine de la science des matériaux. À l’heure actuelle, il est essentiellement maîtrisé par divers instituts de R&D », ajoute-t-il.
La projection de matériaux transpose certains principes du jet d’encre à des encres fonctionnelles déposées par plusieurs têtes. Cette analogie n’élimine pas les difficultés de formulation, de dépôt ni de cofrittage des céramiques.
Avec l’impression 3D FDM, les principaux paramètres à prendre en compte sont le filament (principalement ses propriétés thermiques, mécaniques et rhéologiques et son diamètre), le processus (température et vitesse) et les spécifications liées à l’imprimante 3D (le nombre de têtes d’extrusion, le diamètre de la buse et la force de l’engrenage). Cependant, certaines des limites rencontrées avec la technologie FDM apparaissent lors de la fabrication de structures complexes. Il s’agit notamment de la faible résolution et du mauvais état de surface, de la faible adhérence entre les sections adjacentes et de la vitesse de fabrication lente.
Il est intéressant de noter que dans la liste des procédés de photopolymérisation existants, la SLA – l’un des procédés les plus anciens – est l’un des procédés qui a été amélioré pour permettre l’impression 3D multi-matériaux.
Il faut distinguer deux offres de 3DCeram : la M.A.T. (Multi Additive Technology), fondée sur l’extrusion de filaments, de granulés ou de pâtes et pouvant intégrer de l’usinage à cru ; et la C101 HYBRID, qui associe stéréolithographie laser et dépôt d’un second matériau. La M.A.T. n’est donc pas une imprimante SLA. Les exemples d’extrusion et de circuits intégrés ci-dessous correspondent à des approches différentes.
La solution M.A.T. peut réaliser une impression 3D multi-matériaux avec la fabrication par filament fondu (FFF). « Les matériaux concernés sont le nitrure de silicium (Si3N4) mélangé à du disiliciure de molybdène (MoSi2) conducteur d’électricité pour les composants conducteurs, et un matériau similaire à plus faible teneur en MoSi2 pour l’isolation électrique. Ce procédé permet de produire des éléments chauffants complexes en combinant des matériaux céramiques isolants et conducteurs d’électricité, ce qui permet d’obtenir des performances à haute température et une résistance à la corrosion », explique l’équipe.
Si le système d’impression hybride de 3DCeram n’a été mentionné qu’à titre d’exemple, il convient de noter que chaque processus de FA s’accompagne d’une série de spécifications (développées par le fabricant) qui peuvent permettre l’impression 3D multi-matériaux.
Céramiques techniques pouvant permettre l’impression 3D multi-matériaux
Les termes « céramiques techniques », « avancées » ou « à hautes performances » désignent ici des matériaux formulés pour des propriétés spécifiques. Ils se distinguent des céramiques traditionnelles à base d’argile.
Les céramiques techniques peuvent offrir des propriétés utiles à haute température, en milieu corrosif ou pour l’isolation. Ces propriétés varient selon la composition et la microstructure ; la fragilité et les contraintes de mise en forme doivent aussi être prises en compte.
Les céramiques peuvent être classées de différentes manières, une méthode courante étant la division en trois catégories : les oxydes, les non-oxydes et les composites céramiques.
Les céramiques d’oxyde englobent diverses familles de céramiques, notamment l’alumine (oxyde d’aluminium ou Al2O3), la zircone (oxyde de zirconium ou ZrO2), la silice (oxyde de silicium ou SiO2), l’oxyde d’yttrium (Y2O3) et d’autres matériaux à base d’oxyde métallique tels que les silicates et la magnésie. Ces matériaux sont des composés inorganiques non métalliques qui contiennent de l’oxygène dans leur composition chimique.
Les céramiques d’oxyde peuvent également être combinées pour former des dispersions mixtes, telles que l’alumine renforcée par la zircone (ZTA) ou la zircone renforcée par l’alumine (ATZ).
Les céramiques non oxydées se composent de familles telles que les nitrures d’aluminium (AlN), les nitrures de silicium (Si3N4) et divers carbures tels que le carbure de silicium (SiC). Il s’agit de composés inorganiques non métalliques qui incorporent de l’azote ou du carbone dans leur structure.
Un composite à matrice céramique (CMC) possède une matrice céramique et une phase de renfort. Les composites à matrice métallique (MMC) ou polymère (PMC) constituent d’autres familles, même lorsqu’ils contiennent des renforts céramiques. Ces catégories ne doivent pas être confondues avec toute pièce multi-matériaux.
Selon Waldner, parmi les céramiques techniques qui gagnent actuellement du terrain sur le marché, on peut citer :
« les céramiques d’oxyde très pures, principalement pour les processus chimiques/thermiques très complexes, ainsi que les nitrures et les carbures, en particulier le carbure de silicium, en raison de leurs excellentes propriétés, avec des applications dans l’aérospatiale, la défense et l’industrie des semi-conducteurs. »
En ce qui concerne les matériaux qui peuvent être combinés dans l’impression 3D multi-matériaux, il ajoute : « Les matériaux combinés peuvent être utilisés dans diverses combinaisons, en fonction des propriétés requises pour l’application finale, telles que la résistance à la température, les propriétés mécaniques, la capacité d’isolation, la conductivité, mais aussi l’esthétique, comme on le voit sur le marché dentaire où des gradients de couleur peuvent être imprimés sur les couronnes dentaires. »
L’équipe de 3DCeram partage un point de vue similaire sur les céramiques techniques qui gagnent du terrain sur le marché :
« Parmi les céramiques techniques, les oxydes et les nitrures gagnent du terrain sur le marché. Pour les oxydes, l’alumine est la plus courante, et la zircone est de plus en plus demandée, en particulier pour les applications aérospatiales. Le choix des matériaux céramiques dépend souvent de l’application spécifique ».
Pour le Dr Scheithauer, en revanche, « l’oxyde d’aluminium continuera d’être le cheval de bataille – il a de très bonnes propriétés et des coûts relativement bas. L’oxyde de zirconium est particulièrement intéressant pour le secteur médical, tout comme les mélanges d’Al2O3 et de ZrO2. Le HAp et le TCP sont également très intéressants pour le secteur médical. L’AlN, le B4C, le SiC et le Si3N4 présentent des combinaisons de propriétés extrêmement intéressantes, mais nécessitent une infrastructure et un savoir-faire spécialisés et coûteux pour le traitement thermique.
Pour les applications multi-matériaux, les combinaisons de propriétés de conductivité électrique et d’isolation (par exemple à base de Si3N4 ou de LTCC), de densité et de porosité (Al2O3, ZrO2) et de polychromie (ZrO2) sont particulièrement intéressantes. Nous avons déjà réalisé toutes ces combinaisons avec CerAM MMJ (une technologie MJT spéciale), dans certains cas également avec CerAM FFF (MEX) ».
Applications permises par l’impression 3D multi-matériaux
Nous l’avons dit à plusieurs reprises : les applications sont ce qui donne de la crédibilité à une technologie spécifique. Qu’il s’agisse de polymères, de métaux ou de céramiques techniques, l’impression 3D multi-matériaux reste attrayante en raison de sa capacité à utiliser plusieurs matériaux en même temps pour fabriquer une pièce avec différentes propriétés ou fonctionnalités.
Les capteurs, actionneurs, dispositifs microfluidiques et structures poreuses sont des pistes pour les procédés multi-matériaux. Résolution, vitesse, état de surface et propriétés après frittage dépendent de la machine et de la matière : on ne peut pas classer globalement la photopolymérisation devant toutes les techniques de projection ou d’extrusion.
C’est ce que confirme l’équipe de 3DCeram en parlant de son procédé hybride :
« Par exemple, le processus hybride est particulièrement utile dans les secteurs de l’électronique et des capteurs. Sa flexibilité permet d’augmenter la densité d’électrification des appareils électroniques. En outre, le procédé hybride est une méthode appropriée pour le prototypage rapide de circuits imprimés en céramique, LTCC (Low-Temperature Cofired Ceramics) et HTCC (High-Temperature Cofired Ceramics). Cette approche permet de réduire considérablement les délais et les coûts de développement d’applications innovantes. Par exemple, le processus hybride a été utilisé pour créer des chemins électriques sur l’alumine, comme le montrent les résultats de l’analyse comparative.
« Avec l’imprimante M.A.T., nous avons travaillé sur plusieurs projets impliquant l’impression 3D multimatériaux, comme la combinaison de différents types de zircone – noire et blanche, utilisée dans l’industrie du luxe.
Une bobine incorporée conforme dans un processus hybride d’alumine est particulièrement innovante pour les applications d’électromagnétisme comme une bobine incorporée dans une pièce d’alumine. L’image ci-dessous montre une référence adaptée à cette application. Le petit solénoïde métallique est incorporé dans la pièce d’alumine par fabrication additive. La résolution actuelle est proche de 0,5 mm de diamètre, mais elle peut être améliorée par un système de dosage plus précis.
Le procédé hybride ouvre la voie à de nouvelles applications. La technologie est bien adaptée au futur défi de l’électrification des transports (moteur roue aimantée). En effet, la bobine de Bitter est complexe voire impossible à fabriquer par les procédés de fabrication conventionnels. Le processus d’impression 3D permet de fabriquer certains dispositifs avec une personnalisation parfaite pour optimiser les performances », ajoute l’équipe.
À long terme, l’expert de D3-AM GmbH voit également les plus grandes applications de l’impression 3D multimatériaux dans la combinaison de matériaux isolants, conducteurs et fonctionnels, permettant des chauffages complexes, des entraînements/actionneurs, des capteurs et d’autres applications qui, dans certains cas, ne sont pas encore imaginables aujourd’hui. Toutefois, à moyen terme, le domaine médical peut également bénéficier de cette technique, en particulier l’industrie dentaire, « où des gradients de couleur peuvent être appliqués numériquement », ajoute-t-il.
Limites et perspectives d’avenir
Le développement industriel se heurte encore à des limites propres aux procédés et aux combinaisons de matériaux. Cet entretien ne fournit pas de données de marché permettant de mesurer un ralentissement de leur adoption.
En extrusion de filaments chargés de poudre, une teneur élevée en matière solide peut limiter le retrait de densification, mais elle modifie aussi l’écoulement, la rigidité et la fragilité du filament. La formulation doit concilier imprimabilité, déliantage et frittage ; un faible retrait ne peut pas être supposé pour toutes les matières.
Même s’il considère l’impression 3D par jet d’encre comme l’approche la plus appropriée pour l’impression de céramiques multi-matériaux – étant donné la capacité de la technologie à construire une pièce avec différents matériaux goutte à goutte, Waldner reconnaît également les limites de la technologie : la « nécessité d’avoir accès à des têtes d’impression à jet d’encre et à des systèmes d’alimentation en encre capables de manipuler et de déposer de manière fiable des matériaux céramiques abrasifs goutte à goutte ».
« D3 démontre actuellement cette fiabilité pour l’impression de céramiques mono-matériau, mais à ce jour, il existe encore peu de systèmes fiables disponibles pour l’impression par jet de matériaux multi-matériaux. Quel que soit le type de technologie utilisé pour fabriquer des composants multimatériaux, il faut que les ingénieurs adoptent le bon état d’esprit pour exploiter pleinement ces possibilités et pour concevoir et développer les applications correspondantes. Je suis convaincu que l’apprentissage automatique améliorera considérablement cette capacité à l’avenir et contribuera à façonner de nouvelles applications, aujourd’hui inimaginables », ajoute-t-il.
Pour l’expert de Fraunhofer IKTS, le principal défi de l’impression 3D multi-matériaux avec des céramiques techniques est « le frittage et le cofrittage nécessaires pour traiter différents matériaux ». (Développement et adaptation complexes des matériaux (retrait) ainsi que combinaisons limitées de matériaux pouvant être combinés en termes de technologie de retrait). » « Il ajoute que l’identification des paires de matériaux appropriées et l’adaptation du comportement de retrait par le biais du prétraitement des poudres sont extrêmement complexes.
L’équipe de 3DCeram, quant à elle, explique que « le cofrittage présente un défi de taille. Au cours de la phase de post-traitement, des matériaux ayant des taux de dilatation thermique (CTE) ou des conditions de frittage différents peuvent entraîner des contraintes internes et la fissuration de la pièce imprimée en 3D. Pour obtenir une structure finale cohérente, il faut que les matériaux aient des comportements de frittage compatibles. Cela rend le processus très complexe et limite souvent la gamme de matériaux pouvant être utilisés ensemble.
Une autre limite est le risque de contamination des matériaux pendant le processus d’impression. Lorsque différents matériaux sont déposés dans des couches ou des sections successives de la pièce, une contamination croisée peut se produire, affectant l’intégrité et les propriétés de chaque matériau. Pour remédier à ce problème, 3DCeram a introduit une buse qui souffle de l’air pour nettoyer la rainure avant de déposer le matériau suivant. Cela permet d’éviter la contamination croisée entre les matériaux et de préserver la pureté de chaque couche ».
Quel est donc l’avenir de l’impression 3D multimatériaux de céramiques techniques ?
Malgré les limites susmentionnées qui doivent encore être résolues, les experts restent quelque peu optimistes quant à l’avenir de l’impression 3D multi-matériaux avec des céramiques techniques.
Uwe Scheithauer prévoit que la proportion de pièces en céramique augmentera à l’avenir. Cette augmentation s’accompagnera de l’essor des procédés de mise en forme et de la réduction des coûts de post-traitement, de nouvelles propriétés des matériaux ainsi que de la réduction du nombre total d’étapes de processus nécessaires à la production de composants complexes et multifonctionnels grâce aux imprimantes MM(J).
Cela dit, nous ne pouvons qu’être d’accord avec Waldner lorsqu’il dit que l’impression 3D multi-matériaux restera une niche par rapport à l’ensemble du marché de la FA céramique. « À long terme, cette situation pourrait changer considérablement, avec des systèmes d’impression améliorés, des systèmes de matériaux supplémentaires et une ingénierie soutenue par l’IA qui accélérerait considérablement la croissance », conclut-il.
Notes de l’éditeur
Pour discuter de ce sujet, nous avons invité trois contributeurs clés à partager leurs points de vue sur ce dossier.
Uwe Scheithauer, chef de groupe, fabrication additive et hybride au Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. L’Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques IKTS mène des recherches appliquées sur les céramiques à haute performance. En tant que fournisseur de services de recherche et de technologie, le Fraunhofer IKTS développe des matériaux céramiques avancés à haute performance, des processus de fabrication industrielle ainsi que des prototypes de composants et de systèmes dans des lignes de production complètes jusqu’à l’échelle de l’usine pilote. En outre, le portefeuille de recherche comprend également des diagnostics et des essais de matériaux. Scheithauer est intervenu lors de diverses conférences consacrées à la céramique et a participé à plusieurs publications, dont l’une des plus récentes est intitulée « Additive manufacturing of ceramic single and multi-material components – A groundbreaking innovation for space applications too ? ». L’expert pense que les matériaux céramiques seront utilisés dans des applications où il n’y a pas d’autre alternative, comme l’aérospatiale et l’énergie. Il utilise CerAM MMJ (MJT) – Al2O3, ZrO2, acier inoxydable, Si3N4 ; CerAM FFF (MEX) – Si3N4, ainsi que CerAM VPP (Lithoz LCM) – Al2O3 (dense/poreux) dans le cadre de ses projets d’impression 3D multi-matériaux.
Stefan Waldner de D3-AM GmbH. D3-AM GmbH est une entreprise dérivée du groupe Durst, l’un des principaux fabricants mondiaux de technologies d’impression et de production numériques. L’entreprise a développé LABII, une imprimante 3D pour les céramiques techniques basée sur le processus de projection de microparticules (MPJ). Ce développement a permis à D3 de s’attaquer aux limites des systèmes à jet d’encre conventionnels, en permettant l’impression directe de suspensions hautement concentrées à base d’eau, avec pratiquement n’importe quelle taille et distribution de particules. D3 utilise déjà un deuxième matériau imprimé par jet d’encre pour les structures de support dans son système d’impression LABII. Toutefois, à moyen terme, l’accent reste mis sur l’impression 3D mono-matériau de céramiques à haute performance à l’aide d’une technologie à jet d’encre propriétaire. À cet égard, l’équipe d’ingénieurs de D3 a acquis une expérience significative dans l’impression multi-matériaux à jet d’encre pour les applications graphiques, avec jusqu’à 12 couleurs différentes par machine, grâce à son expérience dans l’impression 2D au sein de la société mère, le groupe Durst. Cette expertise multi-matériaux pourrait également s’avérer pertinente pour D3 à un moment donné avec sa technologie de jet de micro-particules.
L’équipe de 3DCeram. Si vous êtes un lecteur régulier de 3D ADEPT, vous connaissez peut-être ce fabricant français spécialisé dans l’impression 3D de céramiques basée sur la technologie SLA. L’entreprise aide actuellement ses clients à passer de la phase expérimentale à des solutions entièrement industrialisées. Cette approche reflète ce qu’ils ont déjà réalisé avec la technologie SLA, où ils sont passés avec succès à la production à grande échelle, notamment l’impression de pièces de très grande taille. « Au fur et à mesure que la technologie évolue, nous nous attendons à ce que les applications des céramiques techniques se généralisent dans des secteurs tels que l’aérospatiale, l’électronique et l’énergie, en raison de la nécessité de disposer de matériaux performants et durables. L’accent sera probablement mis non plus sur la recherche mais sur des solutions pratiques et évolutives, faisant de l’impression 3D de céramiques multi-matériaux et de haute précision une norme dans la fabrication avancée », a déclaré l’entreprise.
L’équipe de 3DCeram décrit également une priorité donnée à l’industrialisation, aux systèmes à plusieurs plateaux et aux grandes plateformes. Les gains attendus restent liés aux applications et à la qualification des procédés.
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