Dossier initialement publié dans le numéro de janvier/février 2022 de 3D ADEPT Mag. Les entretiens, fonctions et exemples décrivent la situation de cette période.
L’impression 3D multi-matériaux permet d’associer plusieurs matériaux dans une même fabrication. Elle peut réunir différentes propriétés ou réduire certaines opérations d’assemblage, mais son intérêt dépend de l’application, de la compatibilité des matériaux et du coût de la chaîne complète. Ce dossier de 2022 examine les obstacles à son adoption avec Aerosint et la KU Leuven.
Le terme multi-matériaux décrit une capacité de fabrication plutôt qu’une famille unique de procédés. Les moyens de la réaliser diffèrent selon la technologie et le couple de matériaux.
Dans ce dossier, il désigne l’emploi contrôlé de plusieurs matériaux dans une même fabrication, y compris, selon le cas, un matériau destiné à être retiré après impression.
Des approches multi-matériaux sont étudiées ou proposées en extrusion de matière, notamment Fused Filament Fabrication (FFF), photopolymérisation en cuve, jet de matière, jet de liant, dépôt sous énergie concentrée (DED) et fusion sur lit de poudre, dont le frittage sélectif par laser (SLS). Cette liste d’approches ne signifie pas que toutes les machines de ces familles disposent de cette capacité.
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».
Dans le contexte de 2022, les intervenants soulignent plusieurs obstacles à une adoption plus large. Le dossier examine :
- 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
La réduction du délai global fait partie des bénéfices possibles, notamment lorsque plusieurs opérations d’assemblage peuvent être évitées. Elle n’implique pas automatiquement une impression plus rapide ou plus précise.
« 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.
L’équipe d’Aerosint souligne ainsi qu’une approche multi-matériaux n’est pas 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 système de dépôt de poudre est encore plus lent, mais nous travaillons dur pour que la vitesse de déposition avec notre système de dépôt de poudre 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 répartition de la poudre. »
En juillet 2020, John Whitehead et Hod Lipson, à l’université Columbia, présentent un prototype de frittage laser inversé. Un laser orienté vers le haut permet de sélectionner successivement différentes poudres ; les démonstrateurs publiés constituent une preuve de faisabilité, pas une validation générale de production.
Dans un système SLS conventionnel, un laser consolide sélectivement la poudre déposée en couches successives sur un lit de fabrication. L’usage d’un même matériau sur tout le lit rend le placement local de poudres différentes plus difficile.
Le prototype de Columbia utilise plusieurs plaques de verre portant chacune une fine couche de poudre. La plateforme est abaissée contre la poudre et le laser traverse la plaque depuis le dessous pour fixer la matière. La plateforme est ensuite déplacée vers une autre plaque. Cette approche a notamment permis d’associer nylon et TPU dans un démonstrateur.
Inkbit annonce Vista en février 2021, avec une technologie de jet de matière pilotée par retour optique, appelée Vision-Controlled Jetting. Les mesures des couches permettent d’adapter les dépôts suivants pour compenser des écarts géométriques. Il s’agit d’un contrôle du procédé ; cela ne garantit pas l’absence de tout défaut dans la pièce finale.
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 ?
Les performances dépendent de chaque combinaison de matériaux, de leur interface et des paramètres de fabrication. Les résultats d’un procédé de jet de matière ne peuvent pas être généralisés à une approche de fusion sur lit de poudre ou à toutes les pièces multi-matériaux.
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
L’enjeu n’est pas seulement le nombre de matériaux disponibles, mais la compatibilité de leurs combinaisons et leur qualification dans un même procédé.
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 de balayage 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.
Un couple de métaux différents en contact électrique et exposé à un électrolyte peut subir une corrosion galvanique. Ce risque dépend du couple et de son environnement ; la présence de plusieurs matériaux ne suffit pas à elle seule à le provoquer. La KU Leuven ajoute : « 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
STL décrit principalement une géométrie triangulée, sans affectation normalisée des matériaux. Un flux multi-matériaux peut employer des maillages séparés. OBJ peut référencer des propriétés d’apparence par un fichier MTL ; ces informations ne constituent pas à elles seules une définition complète du matériau de fabrication. La comparaison du Consortium 3MF distingue les données de rendu des propriétés nécessaires à la fabrication.
Le format 3MF permet de transporter des informations de matériaux et de propriétés, notamment avec son extension dédiée. Leur exploitation dépend du logiciel et de la machine. VRML/X3D peuvent transmettre des informations d’apparence dans certains flux, mais leur prise en charge doit être vérifiée ; aucun format ne garantit à lui seul l’interopérabilité de la chaîne.
Pour PolyJet, les régions destinées à recevoir des matériaux différents doivent être identifiables dans le flux de préparation. Le format STEP n’est pas une obligation universelle : le guide de conception Stratasys de 2020 décrit aussi des flux utilisant des fichiers STL distincts. Le format retenu dépend des logiciels, de leurs versions et du modèle d’imprimante.
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 décharge mécanique de l’os (stress shielding). 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.
En 2022, les approches décrites présentent des niveaux de maturité différents. Certaines répondent déjà à des applications commerciales ; d’autres restent au stade du développement ou ciblent la recherche. Les procédés FFF et DED ne résument pas à eux seuls l’offre multi-matériaux, qui comprend également des solutions de jet de matière.
Les investissements en R&D traduisent un intérêt pour ces possibilités, comme l’explique Melissa Orme de Boeing dans l’entretien cité. Leur montant ne détermine toutefois pas mécaniquement le prix payé par l’utilisateur. La pertinence économique doit être évaluée sur le coût complet et le bénéfice obtenu pour l’application. Neirinck souligne l’intérêt de « cas d’utilisation haut de gamme avec des exigences souvent strictes ».
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 initialement publié dans le numéro de janvier/février 2022 de 3D ADEPT Mag.
LA NEWSLETTER HEBDOMADAIRE DE 3D ADEPT
L’industrie évolue. Gardez une longueur d’avance.
Chaque semaine, l’essentiel de la fabrication additive : actualités industrielles, dossiers de fond et applications concrètes, sélectionnés par notre rédaction. Vous êtes aussi les premiers informés de la sortie de chaque numéro de 3D ADEPT Mag.
Gratuit · Un e-mail par semaine · Désinscription à tout moment
En cliquant, vous chargez le formulaire de notre prestataire d’e-mailing, ainsi que ses statistiques et la protection anti-robots de Google. Votre inscription n’est enregistrée que si vous la validez. Consultez notre politique de confidentialité
