Quels sont les matériaux utilisés par une imprimante 3D ?

Crème glacée, molécules pour la médecine, et même peau humaine : la liste des matériaux utilisés dans l'impression 3D s'allonge et devient de plus en plus intéressante. L'expansion de cette liste donne d’ailleurs lieu à une course à l'armement de plusieurs milliards de dollars.

Une étude de marché récemment publiée sur l'impression 3D a révélé que le marché mondial des produits d'impression 3D était évalué à 12,6 milliards de dollars en 2020, et qu’il devrait atteindre 37,2 milliards de dollars en 2036. Ce qui implique une augmentation considérable des matériaux utilisés par ces machines.

Le plastique règne toujours en maître dans le domaine de l'impression 3D. Selon un rapport de Grand View Research, la taille du marché de l'impression 3D en plastique était évaluée à 638,7 millions de dollars en 2020 et devrait atteindre 2,83 milliards de dollars d'ici 2027.

Ce matériau n'est pas un plastique "ordinaire". Deux types de plastique sont le plus souvent utilisés dans l'impression 3D.

• PLA : l'acide polylactique (PLA) est le matériau d'impression 3D le plus populaire. Il s'agit d'un plastique biodégradable fabriqué à partir de matières premières renouvelables telles que l'amidon de maïs. Son faible point de fusion le rend facile à utiliser à la maison.

• ABS : l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) convient le mieux aux pièces qui nécessitent résistance et flexibilité, comme les composants automobiles ou les appareils ménagers. Il est également connu pour son faible coût.

Le monde des matériaux pour l'impression 3D va cependant bien au-delà de ces utilisations courantes.

1. Le métal

Utilisé pour : pièces prêtes à être installées, produits finis, prototypes.

S'il y a un deuxième choix par rapport au plastique, c'est bien le métal. Le frittage laser direct de métal (ou DMLS, pour Direct Metal Laser Sintering) est la technique utilisée : contrairement à l'impression des plastiques, elle peut l’être pour fabriquer un produit industriel fini ou un prototype. L'industrie aéronautique est déjà l'une des premières à utiliser l'impression DMLS pour rationaliser les opérations et fabriquer des pièces prêtes à être installées. Il existe même déjà des imprimantes DMLS grand public pour la création de bijoux imprimés en 3D.

Avec la croissance et la popularité de l'impression 3D de métaux, il est possible de fabriquer et de créer des pièces de machines plus efficaces, qui ne peuvent actuellement pas être produites en masse sur place. On pourrait ainsi obtenir de meilleurs conducteurs, une meilleure résistance à la traction, et d'autres attributs des métaux de laboratoire que les métaux "extraits et raffinés" tels que l'acier et le cuivre.

Dans l'industrie aérospatiale, la question des matériaux est largement résolue, et la création de volumes de pièces est le Saint Graal. GE Aviation a commencé à imprimer des buses de carburant pour son moteur à réaction LEAP en 2016, passant à 30 000 pièces en moins de trois ans et imprimant sa 100 000ème buse en 2021. Le successeur du LEAP, le RISE, intégrera également des pièces imprimées en 3D.

2. Graphite et graphène

Utilisé pour : électronique, éclairage.

L’entreprise australienne de graphite et de nickel Kibaran Resources s’est associée avec 3D Group, une société d’impression 3D, pour partager les coûts de développement via une entreprise de recherche et de développement appelée 3D Graphtech Industries.

Le partenariat vise l’obtention de brevets pour étudier l'impression 3D de graphite et de graphène, une forme pure de carbone créée pour la première fois en laboratoire en 2004. Le graphène conduit mieux l'électricité, il est plus solide, plus facile à isoler et plus léger que les autres conducteurs actuellement disponibles sur le marché. Il surpasse même plusieurs fois les meilleurs conducteurs. Comme il doit être créé en laboratoire, il constitue une bonne étude de cas pour déterminer le type de production de masse de métaux que la fabrication additive peut accomplir.

Les matériaux destinés à la recherche et au développement proviennent des mines tanzaniennes de Kibaran, où l'on a trouvé du graphite à haute cristallinité et d'une pureté de 99,9 % de carbone. Ce graphite est incroyablement bien adapté à la production de graphène.

L'industrie des semi-conducteurs est également intéressée par la production de grandes quantités de graphène. Par exemple, IBM a trouvé un moyen de l'utiliser pour l'éclairage LED en 2014. La possibilité d'imprimer en 3D des feuilles de graphène pour les utiliser dans les LED pourrait réduire considérablement les coûts de production de l'éclairage.

3. Fibre de carbone

Utilisé pour : roulements, pièces, installation de câbles électriques.

Liée au graphite, la fibre de carbone (qui subit un processus d'oxydation qui étire le polymère) peut être ajoutée au plastique plus traditionnel pour créer un composite qui peut être aussi solide que l'acier mais dont l'utilisation est moins intensive que celle de l'aluminium, indique Markforged. Les imprimantes 3D grand format de l'entreprise sont conçues pour imprimer des pièces plus résistantes, plus rapidement et à des coûts nettement inférieurs.

La startup Impossible Objects a également exploré la fibre de carbone, ainsi que le verre, le Kevlar et la fibre de verre. L'imprimante de la société peut également travailler avec des polymères thermoplastiques PEEK (polyéther-éther-cétone), qui sont généralement utilisés pour les roulements, les pièces de piston et l'installation de câbles électriques.

L'industrie de l'impression 3D expérimente une grande variété d'approches novatrices, telles que les résines biosourcées à base d'huile de maïs et de soja, les poudres, le nitinol et même le papier.

La liste des matériaux s'allonge, mais qu'est-ce que cela signifie pour le matériel lui-même ? Pour l'instant, au niveau du consommateur, le plastique est à peu près aussi bon qu'il peut l'être. Par exemple, la Dremel 3D40 Flex (1 399 $) est limitée au PLA.

Aujourd'hui, plusieurs imprimantes sont entièrement dédiées au DMLS, notamment la DMP Flex 350 de 3DSystems et plusieurs modèles de Stratasys, mais elles coûtent actuellement plus de 100 000 dollars chacune, car les imprimantes DMLS brûlent à des températures beaucoup plus élevées que leurs homologues en plastique, les poudres et les métaux qu'elles créent ayant des points de fusion plus élevés. Des boîtiers plus solides et des outils de fusion industriels plus puissants augmentent considérablement leurs coûts.

Bien que de nombreux fabricants d'imprimantes 3D proposent des services d'impression 3D de métaux, il faudra attendre un certain temps avant que les économies d'échelle qui ont contribué à faire baisser le coût de l'impression 3D de plastique n'affectent le marché de la DMLS. Par ailleurs, les systèmes d'impression 3D à base de graphite ou de fibre de carbone commencent tout juste à s'imposer sur le marché.

La diversité des applications que les industries explorent pour l'impression 3D en fait une période passionnante mais tumultueuse. Des pièces de jet à l'éclairage en passant par le prototypage rapide, les nouveaux (et "anciens") matériaux d'impression 3D offriront encore plus d'opportunités sur la manière dont les industries impriment et sur ce qu'elles impriment.

Cet article a été mis à jour. Il a été initialement publié en novembre 2014.