Archive — Ce dossier de 2019 rassemble les contributions d’ARMOR/KIMYA, VBN Components et Malvern Panalytical. Les fonctions et exemples cités sont ceux de cette période ; les précisions rédactionnelles distinguent propriétés annoncées et conditions d’utilisation.
La performance d’une pièce dépend notamment du choix du matériau et de ses conditions de transformation. Une résistance élevée dans un domaine ne suffit pas à garantir son aptitude à toutes les applications.
Choisir un matériau de fabrication additive exige de rapprocher les contraintes d’usage, les capacités de la machine et les opérations de finition. Lorsqu’une entreprise ne dispose pas de cette expertise en interne, l’accompagnement de spécialistes peut aider à préciser les critères de décision.
En effet, au fur et à mesure que la technologie progresse, l’essor de termes techniques tels que matériaux haute performance, matériaux d’ingénierie ou matériaux avancés, s’accélère. A une époque où les entreprises ont tendance à prétendre être les « premières » à lancer leur technologie sur ce marché, il est facile pour l’utilisateur final potentiel de se perdre dans l’utilisation (parfois) abusive de mots techniques par les entreprises.
Le présent article vise donc à clarifier le sens des matériaux hautes performances. Il vise à aider les utilisateurs à identifier les différents types de matériaux hautes performances, à comprendre la caractérisation des matériaux et à déterminer la technologie de fabrication additive qui convient le mieux à ces matériaux. Pour aborder ce sujet, nous avons posé un certain nombre de questions à VBN Components, Armor Group et Malvern Panalytical B.V.
Matériaux haute performance, matériaux d’ingénierie ou matériaux avancés ?
Les progrès des matériaux ont permis de nouvelles applications dans les transports, l’électronique et de nombreux autres secteurs. Leur intérêt se mesure toutefois à l’échelle d’un usage et d’un procédé précis.
La recherche de composants plus performants concerne aussi bien la fabrication additive que les procédés de moulage, d’usinage et d’assemblage.
Les critères peuvent inclure la résistance mécanique, la tenue à la déformation ou à la corrosion, la masse, la température d’usage et la durabilité. Un même matériau ne maximise pas nécessairement toutes ces propriétés.
Selon Pierre-Antoine Pluvinage, Directeur du développement commercial chez ARMOR GROUP, pour la marque de FA KIMYA, la résistance thermique, la résistance mécanique et la résistance aux chocs sont souvent les premiers indicateurs clés de performance pris en compte pour identifier les matériaux hautes performances :
« Les matériaux hautes performances sont d’abord caractérisés par leur performance thermique. Un autre indicateur clé de performance peut être leur résistance chimique ou mécanique, ou leurs propriétés de résistance aux chocs.
Cependant, la performance thermique n’est pas nécessairement la seule caractéristique définissant un matériau de haute performance : elle peut fournir des propriétés fonctionnelles que d’autres matériaux d’ingénierie ou des matériaux facilement disponibles ne fourniraient pas ».
Les expressions « matériau d’ingénierie », « matériau avancé » et « matériau haute performance » se recouvrent parfois dans les usages industriels. Elles ne constituent pas, à elles seules, une certification ni une classification universelle de la performance.
Les matériaux d’ingénierie regroupent les matériaux sélectionnés pour réaliser une fonction technique. Le choix porte sur une nuance et sur des propriétés mesurables, adaptées aux contraintes de la pièce.
L’expression « matériaux avancés » peut désigner des compositions, des structures ou des propriétés développées pour des besoins particuliers. Elle ne rend pas ces matériaux interchangeables avec tous les matériaux dits haute performance.
Les grandes familles comprennent les métaux, les céramiques, les polymères, les composites et les semi-conducteurs. Ce dossier se concentre sur les polymères et les métaux.
Les polymères haute performance
Un matériau est plus complexe que sa simple composition chimique. Ses propriétés dépendent de sa microstructure, qui peut évoluer – au cours du processus – ou de la durée de vie du matériau.
Dans les transports et l’aérospatiale, certains polymères peuvent contribuer à alléger des pièces. Leur capacité à remplacer un autre matériau doit être évaluée selon les charges, les températures et l’environnement de fonctionnement.
Dans ce sens, le directeur du développement commercial du Groupe ARMOR explique que nous ne parlons pas seulement de matériaux hautes performances lorsqu’il s’agit de la fabrication additive. En effet, les matériaux hautes performances sont utilisés dans plusieurs processus de production comme le moulage par injection ou les processus d’usinage. « Le défi consiste à évaluer comment utiliser ces matériaux et les adapter aux technologies d’impression 3D tout en conservant leurs propriétés natives », a déclaré l’expert du Groupe ARMOR.
Parmi les polymères évoqués figurent les PAEK, famille qui comprend le PEEK et le PEKK, ainsi que le PEI et le PPSU. ULTEM est une marque de résines PEI, et non une famille distincte. Les caractéristiques varient selon la nuance et son état après fabrication.
Le Kimya PEKK-A cité dans ce dossier utilise une résine Arkema Kepstan PEKK à cristallisation lente. La documentation de la série Kepstan 6000 distingue les états amorphe et semi-cristallin obtenus selon l’histoire thermique. Une valeur de température isolée ne définit donc pas une limite universelle d’utilisation de la pièce imprimée : la nuance, un éventuel recuit, la charge et la durée d’exposition doivent être précisés.
Maintenant, pour attester de la qualité de ce matériau, et de sa capacité à être traité sur diverses imprimantes 3D, la caractérisation des matériaux entre en jeu.
Caractérisation des matériaux
Au fur et à mesure que la technologie progresse, la caractérisation des matériaux devient de plus en plus sophistiquée. Plusieurs techniques existent pour étudier et mesurer les propriétés physiques, chimiques, mécaniques et microstructurales des matériaux. Le procédé peut être appliqué à plusieurs étapes de l’élaboration des matériaux.
Toutefois, quel que soit le processus, l’objectif global est, d’une part, de comprendre les éléments clés nécessaires pour résoudre des questions importantes, comme les causes de défaillance et les problèmes liés au processus, et d’autre part, de prendre des décisions critiques concernant les matériaux.
Des méthodes d’analyse normalisées et des techniques avancées spécialisées spécifiques à l’application peuvent être appliquées au cours de ce processus.
Les essais pertinents dépendent du matériau et de l’application : traction, flexion, résistance aux chocs ou comportement thermique, par exemple. Pour une pièce imprimée, la préparation des éprouvettes, leur orientation, les paramètres d’impression et le conditionnement doivent être documentés afin de rendre les résultats comparables.
En ce qui concerne les matériaux prêts à être commercialisés, Pierre-Antoine Pluvinage a mentionné certains des critères qui sont pris en compte pour attester de leur qualité :
« Il y a plusieurs critères à prendre en compte pour contrôler la qualité des filaments : contrôle du diamètre, contrôle de l’ovalité, contrôle des imperfections (bulles d’air). On peut aussi ajouter l’imprimabilité, ainsi que l’évaluation des attributs fonctionnels liés aux spécifications techniques du produit », explique le Groupe ARMOR.
Choisir et maîtriser le procédé
Selon leur formulation et leur forme, certains polymères haute performance se prêtent à l’extrusion de filament ou à la fusion sur lit de poudre. Ils exigent toutefois des équipements et des paramètres compatibles ; une même nuance n’est pas automatiquement utilisable dans les deux procédés. Les points suivants concernent l’extrusion de filament.
La température d’extrusion, celle du plateau et celle de l’enceinte doivent être adaptées à la nuance et aux recommandations du fournisseur. Une température de buse excessive peut dégrader le matériau ; une température insuffisante peut nuire à l’écoulement et à la liaison entre les couches.
Le plateau et son interface doivent assurer l’adhérence de la première couche tout en permettant le retrait de la pièce après refroidissement. Leur réglage dépend du matériau et de la surface utilisés.
Une enceinte chauffée aide à maîtriser les écarts de température pendant l’impression. Elle peut réduire les déformations, mais n’élimine pas le retrait du matériau lors du refroidissement.
La cristallisation dépend également de la nuance, du temps passé à température et du refroidissement. Elle peut modifier les dimensions et les propriétés de la pièce. Un cycle thermique, y compris un éventuel recuit, doit donc être défini et validé pour le résultat recherché.
« Les avantages des matériaux haute performance résident précisément dans leur polyvalence et leur large éventail d’applications possibles. Les matériaux semi-cristallins offrent généralement des propriétés chimiques et mécaniques exceptionnelles, y compris [la capacité de résister] à des conditions de température élevées. Ils peuvent être utilisés dans des applications structurelles ainsi que dans des applications qui impliquent un frottement et une érosion. Par exemple, le PEKK-SC présente une résistance chimique et thermique élevée combinée à des propriétés d’isolation électrique et diélectrique. Les matériaux amorphes tels que le PPSU ou le PEKK-A conservent parfaitement leurs propriétés mécaniques jusqu’à la température de transition vitreuse et présentent d’excellentes propriétés électriques. Grâce à leur exceptionnelle stabilité dimensionnelle, ces matériaux sont adaptés aux composants de précision », a conclu le porte-parole du GROUPE ARMOR.
Ces descriptions sont celles de l’intervenant. Un PEKK à cristallisation lente peut changer d’état selon son traitement thermique ; le maintien des propriétés sous charge ne se déduit pas uniquement de la température de transition vitreuse.
Matériaux de haute performance : métaux
La fabrication additive métallique ouvre d’autres possibilités de choix des alliages et de conception des composants. Les exigences de qualification dépendent du procédé et de l’application.
La ductilité décrit la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement avant rupture ; elle ne se confond pas avec sa résistance à la traction. Tous les métaux et alliages ne présentent pas la même ductilité, et leurs propriétés dépendent aussi de la fabrication et des traitements appliqués.
Les poudres disponibles pour des procédés adaptés comprennent notamment des alliages de titane, des aciers, des alliages d’aluminium, de cuivre, de cobalt-chrome ou à base de nickel. Certains procédés utilisent aussi des métaux précieux. Le choix doit porter sur une nuance qualifiée pour le système concerné.
L’intérêt industriel peut venir de la géométrie, de la résistance à l’usure ou d’autres performances recherchées. La rentabilité doit être évaluée sur la chaîne complète, en tenant compte des volumes et de la qualification ; elle n’est pas une propriété intrinsèque de l’impression 3D.
Dans le même ordre d’idée, il faut noter que pour attester de la qualité des poudres susmentionnées, les mêmes propriétés ne sont pas nécessairement toujours testées.
VBN Components, par exemple, développe un acier rapide appelé Vibenite® 280, Isabelle Bodén, responsable des relations clients, explique que pour ce matériau, l’usure réelle à l’usage (« c’est-à-dire quelle quantité de matériau est usé lorsqu’il est exposé à l’abrasion ») et la dureté à long terme sont des caractéristiques clés qui doivent être prises en compte pour attester de la qualité de ce matériau.
« Nos matériaux sont extrêmement résistants à l’usure. Par exemple, notre acier rapide Vibenite® 280 est utilisé dans une fraise mère, coupant deux fois plus profondément et durant deux fois plus longtemps avant d’avoir besoin d’être réaffûté, comparé à un acier supérieur traditionnel dans la même application. Les carbures de nos matériaux sont très fins et bien dispersés, ce qui permet d’obtenir des niveaux de dureté allant jusqu’à 72 HRC et une ténacité supérieure à ce que l’on peut attendre de matériaux aussi durs », a expliqué le porte-parole de l’entreprise basée en Suède.
Les comparaisons chiffrées rapportées par VBN Components concernent les matériaux et l’application cités ; elles ne constituent pas une garantie pour toute pièce.
Caractériser les poudres métalliques
Le poids économique de la poudre varie selon le matériau, le procédé et le taux de réutilisation. La maîtrise de l’approvisionnement et des propriétés de la poudre contribue à la régularité de la production. Les techniques suivantes sont présentées dans le contexte de la fusion sur lit de poudre.
Selon Malvern Panalytical, « les propriétés chimiques et physiques de la poudre ont un impact direct sur le processus de fabrication et la qualité des composants finaux et doivent être contrôlées et optimisées pour assurer la robustesse et l’uniformité du processus. Pour obtenir cette poudre, les propriétés doivent être caractérisées à différentes étapes de la chaîne d’approvisionnement, depuis le développement de nouveaux alliages jusqu’au recyclage de la poudre. La diffraction laser, l’analyse automatisée des images, la fluorescence des rayons X (XRF) et la diffraction des rayons X (XRD) sont quatre techniques analytiques clés qui sont couramment utilisées pour caractériser les poudres de fabrication additive. »
La diffraction laser est intéressante pour mesurer la distribution granulométrique des poudres de métal, de céramique et de polymère pour la fabrication additive. Dans les procédés de fusion en lit de poudre, la distribution de la taille des particules affecte le tassement du lit de poudre et la fluidité, ce qui a un impact sur la qualité de fabrication et les propriétés finales des composants. L’utilisation d’un procédé de diffraction laser permet d’obtenir la distribution granulométrique en quelques minutes en utilisant des techniques de dispersion humide ou sèche.
« L’analyse automatique d’images statiques peut être utilisée pour classer et quantifier la taille et la forme des poudres de métal, de céramique et de polymère en combinant des mesures de taille de particules telles que la longueur et la largeur, avec des évaluations de forme de particules telles que la circularité et la convexité sur un échantillon statistiquement représentatif (>10 000 particules) », explique Malvern Panalytical.
La fluorescence X (XRF) renseigne sur la composition élémentaire. La diffraction X (XRD) étudie la structure cristalline et les phases présentes. Ce sont des analyses complémentaires, comme le précise la documentation de Malvern Panalytical sur la fabrication additive.
Les gains de productivité des machines ne remplacent pas la maîtrise des matériaux. La caractérisation relie le choix d’une nuance, les conditions de fabrication et les performances attendues de la pièce finale.
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