L’impression 3D multi-matériaux a le vent en poupe. Qui ne voudrait pas recevoir une pièce répondant au critère du « meilleur rapport qualité-prix » ? C’est l’argument de vente le plus important de l’impression 3D multi-matériaux. Comme la plupart des technologies de FA, me direz-vous, mais l’impression 3D multi-matériaux a un argument plus séduisant quand on comprend le processus de fabrication : utiliser plusieurs matériaux en même temps pour fabriquer un objet. Cela signifie que, du développement de produits, du prototypage et de l’outillage interne aux pièces de production en faible volume, cette méthode de fabrication peut apporter un important retour sur investissement – si elle est bien réalisée. Alors, où est-ce que ça coince ?
L’impression 3D multi-matériaux suscite une certaine confusion dans la manière dont les industries doivent la définir. S’agit-il d’un type de processus de FA ? S’agit-il d’une forme ou d’une procédure ajoutée à un processus de fabrication existant ? L’industrie et les universitaires n’ont pas encore trouvé de terrain d’entente.
Chez 3D ADEPT, afin d’éviter toute confusion dans la manière de discuter de ce sujet, nous avons considéré l’impression 3D multi-matériaux comme une « procédure spécifique » qui définit le type de processus de FA que vous utilisez ; une procédure qui peut être appliquée à plusieurs types de processus de FA.
Jusqu’à présent, nous avons identifié six types différents de technologies de FA qui peuvent utiliser cette procédure : Fuse Filament Fabrication (FFF – avec buse unique ou multi-buse), Stereolithographie (SLA), Material Jetting, Binder Jetting, Directed Energy Deposition (DED) et Powder-Bed/SLS.
Il est intéressant de noter que l’équipe d’Aerosint coupe la poire en deux et considère l’impression 3D multi-matériaux à la fois comme une procédure et comme un nouveau type de processus de fabrication :
« Le nouvel aspect multi-matériaux peut être considéré comme ajoutant un degré de liberté (et de complexité) aux techniques existantes. Cependant, la possibilité d’utiliser deux matériaux dans un seul lit offre également d’autres possibilités, peut-être quelque peu inattendues.
Par exemple, l’utilisation du dépôt multi-matériaux pour déposer de la poudre vierge à côté de la poudre recyclée. Cela peut permettre d’utiliser uniquement la poudre vierge pour construire les pièces, de remplir le reste du lit, et de construire le support, avec du matériau usagé recyclé. Cet angle est peut-être plus prêt pour une adoption industrielle.
De même, comme dans le cas de la FDM, il est peut-être possible d’utiliser un second matériau pour imprimer uniquement les supports.
Enfin, nous nous concentrons sur le dépôt de matériau. S’il est effectivement utile pour la FA sur lit de poudre, les matériaux en poudre sont également utilisés dans d’autres techniques de production. J’ai déjà mentionné la métallurgie des poudres (MP) traditionnelle. Techniquement, rien n’empêche un utilisateur final d’essayer de contrôler quelle poudre se trouve à quel endroit dans une matrice en utilisant le dépôt sélectif de poudre pour fabriquer des pièces multi-matériaux de cette manière. Si vous voulez, cela se situe un peu entre la FA et la MP».
Quel que soit le type de technologie auquel elle est associée, l’adoption de l’impression 3D multi-matériaux reste relativement lente dans tous les secteurs. Pour comprendre les raisons de cette lenteur, cet article se penche sur les points suivants :
- Le processus de fabrication lui-même
- Le point de vue des matériaux
- Le point de vue des logiciels.
- La réalité du marché
Plusieurs technologies permettant l’impression 3D multi-matériaux seront citées en exemple. De plus, pour aborder ce sujet, deux organisations se sont jointes à nous : l’équipe d’Aerosint (Bram Neirinck, Maxime Schoenmakers, Edouard Moens de Hase) qui apporte le point de vue du fabricant et l’équipe de FA de la KU Leuven (Prof. Brecht Van Hooreweder, Dr. Louca Goossens & Dr. Jitka Metelkova) qui apporte le point de vue des universitaires et des utilisateurs.
Le point de vue de la fabrication
Parmi la liste des avantages qui sont souvent mentionnés lorsqu’on parle d’impression 3D multi-matériaux, ceux qui sont le plus mis en avant sont souvent la vitesse et la précision.
« Du point de vue de l’utilisateur final, le délai total peut être encore réduit en utilisant l’impression multi-matériaux. En particulier lorsqu’il s’agit d’assemblages, qui nécessitent généralement des opérations d’assemblage telles que le soudage, le boulonnage, le collage, etc », l’équipe de KU Leuven commente.
Cependant, les arguments de vitesse et de précision peuvent également, facilement être mis en avant dans d’autres procédés de FA. Dans le cas de l’impression 3D multi-matériaux, la comparaison se fait généralement avec un procédé de fabrication mono-matériau – ce qui, à notre avis, peut être une arme à double tranchant.
Les fabricants de machines doivent faire attention à la manière dont ils qualifient leurs procédés d’impression 3D multi-matériaux, en particulier lorsqu’ils visent des prospects industriels, car non seulement ces derniers peuvent avoir des critères de référence différents à l’esprit, mais si ces exigences ne sont pas satisfaites, ils pourraient facilement disqualifier leurs systèmes.
Pour ces raisons, nous comprenons les nuances que l’équipe d’Aerosint établit ici lorsqu’elle déclare, il est difficile d’affirmer que le processus de fabrication avec une approche multi-matériaux est automatiquement plus rapide :
« Cela dépend des formes et des applications que vous comparez, et des méthodes de fabrication que vous voulez comparer.
Comme pour la FA mono-matériau, il est difficile de comparer avec des pièces et des méthodes usinées de manière traditionnelle. Comme nous disposons d’une plus grande liberté de conception / d’autres règles de conception, l’accent sera souvent mis sur l’optimisation de la conception et de la fonctionnalité des pièces. Par conséquent, des pièces fabriquées pour la même application peuvent avoir un aspect complètement différent.
Dans notre cas spécifique, notre point de référence est la mise en couche de la poudre avec un racleur standard. Actuellement, notre récupérateur est encore plus lent, mais nous travaillons dur pour que la vitesse de déposition avec notre récupérateur multi-matériaux soit dans la même gamme de vitesse, et même potentiellement au-delà.
Comme nous ne poussons pas un tas de poudre vers l’avant sur les pièces déjà imprimées et le lit de poudre, nous ne subissons pas le même type d’effets de friction entraînant des ondulations ou des défauts causés par une coucheuse frappant les pièces. Il est donc possible d’aller plus vite si nous pouvons optimiser la mise en forme. »
Dans un autre ordre d’idées, nous avons examiné d’autres points de référence qui permettent à d’autres approches multi-matériaux de sortir du lot. Il y a deux ans, par exemple, une équipe d’ingénieurs de l’université Columbia de New York a modifié le processus de frittage sélectif par laser (SLS) en inversant le laser pour qu’il pointe vers le haut. Cette modification a permis d’utiliser le procédé pour l’impression multi-matériaux.
Le frittage sélectif par laser consiste traditionnellement à fusionner des particules de matériau à l’aide d’un laser dirigé vers le bas dans un lit d’impression chauffé. Un objet solide est construit de bas en haut, l’imprimante déposant une couche uniforme de poudre et utilisant le laser pour fusionner sélectivement certains matériaux de la couche. L’imprimante dépose ensuite une deuxième couche de poudre sur la première, le laser fusionne un nouveau matériau avec celui de la couche précédente, et le processus est répété encore et encore jusqu’à ce que la pièce soit terminée. Ce processus fonctionne bien si un seul matériau est utilisé dans le processus d’impression.
Pour éliminer complètement le besoin d’un lit de poudre, les ingénieurs de Columbia ont installé plusieurs plaques de verre transparent, chacune recouverte d’une fine couche d’une poudre plastique différente. Ils ont abaissé une plate-forme d’impression sur la surface supérieure de l’une des poudres et ont dirigé un faisceau laser vers le haut, depuis le dessous de la plaque, à travers le fond de la plaque. Ce processus permet de sintériser sélectivement une partie de la poudre sur la plate-forme d’impression selon un modèle préprogrammé, conformément à un plan virtuel. La plateforme est ensuite soulevée avec le matériau fondu, puis déplacée vers une autre plaque, recouverte d’une autre poudre, où le processus est répété. Cela permet d’incorporer plusieurs matériaux dans une seule couche ou de les empiler. Pendant ce temps, l’ancienne plaque usagée est remplacée.
Une autre approche multi-matériaux intéressante qui mérite d’être mentionnée est celle d’Inkbit, une start-up américaine qui développe une imprimante 3D à jet d’encre. Contrairement aux autres imprimantes 3D industrielles basées sur le jet de matière, celle-ci est dotée « d’yeux et d’un cerveau« . L’entreprise appelle cela un « système de vision » ; il est intégré à son imprimante 3D et rend la machine intelligente. Pendant le processus de fabrication, chaque couche est scannée à une résolution de l’ordre du micron immédiatement après le dépôt. S’il y a des écarts par rapport à la géométrie prévue, ils sont immédiatement corrigés en temps réel en recadrant la couche suivante.
Destiné à la production, Inkbit développe une machine capable de produire des pièces contenant, par exemple, une zone souple et une zone rigide, dans la même construction.
Ces capacités nous amènent à nous interroger sur les fonctionnalités de ces pièces. Peut-on légitimement dire qu’une approche multi-matériaux conduit à des pièces imprimées en 3D multi-fonctionnelles ? « Outre sa multifonctionnalité, le multi-matériau peut également être utilisé pour des composants mono-matériaux avec l’avantage supplémentaire d’ajouter des structures de support dans un autre matériau (par exemple, un support soluble dans l’eau), ou de fabriquer des micro-canaux remplis d’un matériau de remplissage facile à enlever », souligne l’équipe de la KU Leuven.
Qu’en est-il des performances mécaniques de la pièce ?
Qu’il s’agisse d’une approche multi-matériaux basée sur le jet de matière comme celle d’Inkbit ou de dp polar ou basée sur la fusion en lit de poudre comme celle d’Aerosint, la réponse est souvent la même : ce domaine est boosté par des demandes spécifiques de matériaux et il y a donc très peu de données sur les performances mécaniques.
Prenant exemple sur leur technologie, Bram Neirinck, responsable des applications frittées chez Aerosint, déclare :
« Je considère que la FA multi-métaux en est au même stade que le procédé L-PBF lorsque les premiers lasers à fibre capables de produire des pièces denses sont devenus disponibles. Même si le potentiel est là pour produire des pièces dont les propriétés peuvent être comparées à celles de matériaux de billettes soudés ensemble, le travail de développement de ce processus ne fait que commencer. L’un des avantages dont nous disposons est que le procédé L-PBF est déjà bien mieux compris. Par conséquent, nous nous attendons à ce que les développements se fassent à un rythme accéléré par rapport aux premiers efforts de la FA métallique. »
Le point de vue des matériaux
En général, l’industrie de la fabrication additive souffre déjà d’un manque de matériaux. Ce manque semble être exacerbé pour les procédés de fabrication qui visent à proposer l’impression 3D multi-matériaux au cœur de leur processus.
Pour les deux équipes qui contribuent à ce dossier, la compatibilité des matériaux est l’enjeu majeur des principaux procédés.
En outre, pour résoudre le problème de la compatibilité des matériaux, l’ensemble de la chaîne de traitement doit être développé et sécurisé à partir de zéro : « Cela comprend les éléments de base, comme les stratégies d’effet laser, et le post-traitement, comme les traitements thermiques, et ce pour chaque combinaison de matériaux », explique l’équipe d’Aerosint.
Des considérations spécifiques doivent être prises en compte pour définir la compatibilité des matériaux avec un système d’impression 3D multi-matériaux. Pour les métaux, l’équipe de la KU Leuven note l’importance des éléments suivants : « les points de fusion, le coefficient de dilatation thermique, la compatibilité électrochimique, la solubilité et l’application finale. Par exemple, le cycle thermique d’un composant. Cela peut alors influencer de manière significative le niveau de contrainte dans le composant, conduisant dans le cas extrême à l’initiation de fissures et à la rupture par fatigue. »
« Comme nous combinons des matériaux, cela reposera beaucoup plus sur la métallurgie fondamentale. Nous sommes directement impliqués dans un projet qui étudie justement l’effet de la miscibilité et de la réactivité chimique sur le potentiel de traitement des matériaux », ajoute l’Aerosint en parlant de sa technologie.
Parmi les autres défis liés à l’utilisation de plusieurs matériaux en même temps, citons le cas où le composant est en contact avec un électrolyte. Cela entraîne une corrosion galvanique qui affecte fortement la durée de vie du composant. « Il existe également un risque de mélange des matériaux, en particulier pour les technologies basées sur un lit de poudre, ce qui rend la poudre restante non consolidée inutile. Une approche pour résoudre ce problème consiste à ajouter un matériau de remplissage supplémentaire et à ne déposer que le matériau nécessaire à la fabrication. Le matériau de remplissage peut ensuite être recyclé pour être réutilisé », complète la KU Leuven.
Comme on l’a vu dans d’autres secteurs, l’une des principales solutions pour résoudre ces problèmes de matériaux consiste à encourager la collaboration entre les producteurs de matériaux et les fabricants de machines.
Le point de vue du logiciel
Comme vous le savez peut-être, de nombreux formats de fichiers conviennent à la FA. Néanmoins, ils ne permettent pas tous de définir différents matériaux dans le même fichier que la géométrie. STL, OBJ et PLY, par exemple, ne peuvent pas directement assurer le « support multi-matériaux ». Pour utiliser le format de fichier STL, l’ingénieur doit enregistrer un maillage STL par matériau, ce qui donne lieu à plusieurs fichiers pour les mêmes objets 3D. Le format de fichier OBJ, par exemple, doit être accompagné du format de fichier MTL.
Les formats de fichiers qui prennent facilement en charge l’impression multi-matériaux comprennent le 3MF (le nouveau format de fichier standard pour l’impression 3D soutenu par le Consortium 3MF) ainsi que le VRML/X3D (qui permet d’inclure des animations).
Toutefois, certains vendeurs de machines ou producteurs de pièces peuvent exiger l’utilisation d’autres formats de fichiers avec des informations techniques spécifiques. Par exemple, lors de l’impression en Polyjet, les ingénieurs doivent séparer leurs corps solides, spécifier quel corps doit être imprimé avec quel matériau et enregistrer en STEP. Cette opération peut être réalisée facilement dans la plupart des programmes de CAO paramétriques, bien que SolidWorks la rende plus facile.
Le processus multi-matériaux d’Aerosint, quant à lui, nécessite des fichiers de numérisation en tranches, comme c’est le cas pour la FA à matériau unique. « Seulement, ceux-ci sont maintenant divisés en zones pour les différents matériaux avec des paramètres différents. Nous travaillons avec l’équipe NetFabb d’Autodesk sur le découpage spécifique à ce procédé, mais techniquement, n’importe quel découpage OEM devrait fonctionner si vous pouvez charger les différentes sections et les découper individuellement. Le dépôt est géré par un fichier tranché séparé indiquant les zones de matériau requises. Mais nous utilisons un format de fichier ouvert pour cela, et même des fichiers d’image empilés pourraient être utilisés », soulignent-ils.
Au-delà des formats de fichiers, Aerosint déplore le fait que « les outils logiciels, tant pour la conception que pour la modélisation des pièces, sont des héros souvent négligés de la fabrication additive. Ces outils sont d’une aide précieuse pour tirer le meilleur parti de la liberté de conception offerte par la fabrication additive, tout en contournant les limites des différentes techniques. L’ajout d’un paramètre de conception supplémentaire, comme un deuxième ou un troisième matériau, ne fait qu’alimenter l’imagination des personnes qui développent ces outils. Dans cette optique, nous avons déjà imprimé des démonstrateurs pour Gen3D, Hyperganic et Additive Flow, et chacun d’entre eux a abordé le potentiel des pièces multi-métal sous un angle différent, démontrant véritablement leur créativité. »
La réalité du marché
Si vous êtes un lecteur régulier de 3D ADEPT Media, vous savez certainement que nous nous concentrons sur les applications. Nous pensons que c’est l’une des façons les plus tangibles d’aborder une solution de fabrication. L’impression 3D multi-matériaux peut être utilisée par le biais de divers processus, et en tant que telle, cette approche laisse place à une myriade de possibilités.
« Pour s’en rendre compte, il suffit de considérer le nombre d’applications dans lesquelles les gens ont optimisé les propriétés des matériaux dans les pièces pour en augmenter les propriétés. Il suffit de penser au durcissement des dents des engrenages en acier, au chromage d’un objet pour le rendre résistant à la rouille ou aux rayures, au surmoulage de caoutchouc TPU sur les poignées d’outils pour les rendre plus confortables, … Même dans AM Scaffold, des sections ont été utilisées pour contrôler localement le module d’élasticité dans les implants médicaux afin d’éviter le blindage contre les contraintes. Et ce, sans modifier le matériau lui-même. Beaucoup d’entre eux peuvent passer à l’étape suivante si la composition réelle du matériau peut être contrôlée localement », s’enthousiasme Neirinck.
L’équipe de la KU Leuven cite également plusieurs exemples d’outils dotés d’un noyau ductile absorbant les chocs et d’une couche extérieure dure et résistante à l’usure, d’échangeurs de chaleur comportant des zones conductrices mais non structurelles combinées à des régions solides et rigides pour l’absorption des charges, ainsi que de pièces structurelles présentant un gradient local de rigidité, de conductivité et de propriétés magnétiques.
Ceci étant dit, nous nous sommes rendu compte que la plupart des imprimantes 3D industrielles qui proposent une approche multi-matériaux sont souvent basées sur le FFF ou le DED. Bien qu’ils présentent un grand potentiel pour le marché, il existe encore un large éventail de procédés d’impression 3D multi-matériaux qui ne sont pas exploités au niveau de la production. Certains inventeurs continuent d’améliorer leur technologie, tandis que les fournisseurs de machines, qui opèrent déjà en tant qu’entreprises autonomes, ciblent d’abord les instituts de recherche.
D’un autre côté, comme l’a déclaré Melissa Orme de Boeing à 3D ADEPT Media dans une interview, si les entreprises continuent à investir dans la R&D pour améliorer les technologies de FA, c’est uniquement parce qu’elles voient l’immense valeur de la technologie. Cet argument s’applique à l’impression 3D multi-matériaux. Toutefois, n’oublions pas que, plus les investissements sont importants, plus la technologie sera chère pour l’acheteur. Il faudra donc inévitablement justifier ce coût et, dans un contexte industriel, cela n’est possible que si nous nous occupons de « cas d’utilisation haut de gamme avec des exigences souvent strictes », selon les termes de Neirinck.
Comme le rappelle Neirinck : « Nous devons nous rappeler que la fabrication additive est ‘en concurrence’ avec des techniques de fabrication qui existent depuis au moins la majeure partie du siècle ». Il y a donc des raisons d’être optimiste lorsque l’on voit le chemin parcouru par la communauté de la FA.
Ce dossier a été premièrement publié dans le numéro de Janvier/Février 2022 de 3D ADEPT Mag