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Association des Centraliens de Lyon

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Image par Christian Reil de Pixabay
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09 décembre 2019

De nouvelles matières premières pour l'impression 3D

Si l'impression 3D métal et céramique connaît un fort développement avec 30 % de croissance annuelle, l’industrie peine encore à l’adopter. En cause, notamment, des coûts d’investissement importants et un design des pièces mal adapté à cette technologie. Pour répondre aux besoins de ce marché, Guillaume de Calan (ECP08) et Guillaume Bouchet Doumenq (ECP08), cofondateurs de Nanoe, ont développé des solutions d’impression 3D adaptées aux contraintes des industriels.


Le marché de l’impression 3D métal et céramique est en pleine expansion, avec un volume qui devrait atteindre les 3 milliards de dollars en 2025 et une croissance de plus de 30 % par an. L’adoption de cette technologie dans l’industrie connaît néanmoins de nombreux freins : investissement importants, coût des pièces plus élevé que par les procédés traditionnels, design des pièces mal adapté à l’impression 3D, qualification des produits, notamment pour le médical ou l’aéronautique…

Un point en particulier bloque l’adoption de ces technologies par les PME et ETI : le niveau d’investissement  élevé nécessaire pour se lancer dans l’impression 3D, couplé à un manque d’applications à court terme. En effet, à l’inverse des imprimantes 3D plastique, un système complet d’impression 3D métal ou céramique coûte généralement entre 300 000 et 1 million d’euros. 

Des filaments pour l’impression 3D

C’est pour répondre à ce problème que Nanoe a lancé en 2018 une nouvelle technologie d’impression 3D céramique et métal à partir d’une ligne de filaments constitués de poudres liées par un liant thermoplastique (photo ci-dessous). Ces filaments permettent d’imprimer n’importe quelle pièce d’après un fichier CAO. Cette technologie est la méthode d’impression 3D la plus abordable et la plus développée dans le monde, avec plus de 1 million d’imprimantes déjà installées et plus de 400 000 nouvelles installations par an depuis 2018.

Les filaments sont conçus pour être compatibles avec toutes ces imprimantes, avec peu ou pas de modifications nécessaires.  L’impression 3D de matières premières techniques représente un potentiel énorme. La gamme de filaments développée par Nanoe a notamment été pensée pour des applications de prototypage et de fabrication d’outils sur mesure. Cette nouvelle technologie pour l’impression 3D métal et céramique possède plusieurs avantages qui la rendent complémentaire à d’autres procédés d’impression 3D : coût d’investissement très faible, large choix de matériaux, possibilité d’imprimer des pièces creuses à forte complexité et sans supports et des multimatériaux, et rapidité du procédé.

Un procédé en trois étapes

Similaire aux procédés industriels d’injection CIM et MIM (Ceramic Injection Molding et Metal Injection Molding), le procédé développé par Nanoe compte trois étapes (voir schéma ci-dessus) :
– la pièce est d’abord imprimée sur n’importe quelle imprimante à filaments ;
– elle est ensuite déliantée : par trempage dans un solvant, le liant plastique présent dans la pièce est retiré ;
– enfin la pièce est cuite à haute température afin d’opérer le « frittage », qui la rend plus dense et plus solide. Cette opération entraîne un retrait de la pièce d’environ 20 %.

À l’issue de ces trois étapes, on obtient donc des pièces totalement métalliques ou céramiques, et ayant des propriétés très proches des matériaux obtenus par procédé traditionnel.



Un large choix de matériaux

Les premiers filaments disponibles sont fabriqués en utilisant les matières premières de Nanoe : alumine et zircone principalement. Cependant, un des principaux avantages de cette technologie est sa capacité à imprimer un large choix de matériaux, céramique ou métal. L’entreprise a donc très rapidement lancé le développement d’une large gamme de filaments : en acier 316L, carbure de silicium, carbure de tungstène, inconel, titane, cuivre…

Ces nouveaux matériaux seront progressivement mis sur le marché en 2019 et 2020.

 

Des applications prometteuses

Comme toutes les autres techniques d’impression 3D, cette nouvelle technologie devra passer par des phases de redesign et de validation avant d’être utilisée sur des applications réelles. Plusieurs secteurs se sont montrés intéressés – aéronautique, spatial, médical, télécommunications – mais les horizons de mise sur le marché restent assez lointains. Aussi, à court terme, Nanoe vise principalement des applications de prototypage et d’outillage rapide.

En effet, l’impression 3D de pièces d’usure ou de résistance aux températures semble particulièrement intéressante, typiquement pour des buses, des brûleurs, des supports de résistance, des matrices d’extrusion ou de pressage, des outils de coupe… La fabrication des noyaux céramique pour la fonderie à cire perdue offre également à Nanoe des débouchés intéressants. Il en va de même pour la production de pièces allégées aux structures
internes optimisées. Ainsi Nanoe a déjà imprimé quelques démonstrateurs avec des structures internes en nid d’abeilles (ou autre remplissage type gyroïde, tétraèdre…) qui permettent de produire des pièces très rigides et à densité très faible, avec des applications dans l’aéronautique, le spatial et la défense.


Impression à la demande

Afin d’aider ses clients à adopter cette technologie, Nanoe a également lancé un service d’impression 3D sur mesure, permettant de mener à bien des preuves de concept. Prérequis pour certains de ses clients, ce service  permet de valider la compatibilité du procédé avec leurs objectifs en termes de qualité matière, précision dimensionnelle et reproductibilité. Nanoe peut gérer l’ensemble du procédé, en partant d’un fichier 3D jusqu’à la pièce imprimée, déliantée et frittée. Une fois les pièces validées, l’entreprise transfère au client l’ensemble du savoir faire lié à leur impression. Forte de ce savoir-faire et sûre du potentiel de cette technologie, Nanoe souhaite la développer en nouant des partenariats avec des fabricants de machines, des utilisateurs finaux, des clients potentiels et ainsi élargir son champ d’application.

Pour aller plus loin :

L’ALLÈGEMENT DE PIÈCES, UNE APPLICATION PROMETTEUSE

L’une des applications les plus prometteuses de l’impression 3D en général reste  l’économie de matière et donc l’allègement de pièces pour des domaines comme le spatial, l’aéronautique et le transport en général. En s’affranchissant des règles habituelles de design, et notamment de l’obligation de créer des pièces pouvant ensuite être produites par fonderie ou usinage, les ingénieurs peuvent générer des gains de masse importants en n’utilisant de la matière que là où elle est utile. Cela a notamment permis le développement de logiciels d’optimisation topologique qui, à partir des contraintes appliquées à la pièce (forces, enveloppe extérieure à respecter, points d’accroche), vont calculer la pièce optimale.

En impression FDM, on utilise aussi plus simplement la possibilité d’imprimer des pièces creuses ou partiellement remplies afin de fabriquer séparément l’enveloppe et le contenu. On peut alors jouer sur le type de remplissage en fonction de l’application : linéaire, en nid d’abeilles, en tétraèdre… On recourt également beaucoup aux remplissages en forme de gyroïdes : un type de motif assez complexe, présentant une forme organique et très utilisée en impression 3D pour effectuer un remplissage des pièces avec de bonnes propriétés mécaniques. C’est aussi une forme assez optimale pour le design d’échangeurs thermiques passifs.

Auteurs

Guillaume de Calan (ECP 2008), est le président, et directeur commercial de Nanoe, société qu’il a fondé en 2008 lors de la filière centrale entrepreneur, avec son associé Guillaume Bouchet Doumenq. Il a depuis été lauréat de plusieurs prix de créateur d’entreprise, notamment le concours du ministère de la recherche pour la création d’entreprise innovante (I Lab), et a développé la société pour en faire l’un des leaders européens des matières premières avancées pour les céramiques techniques.
Guillaume Bouchet Doumenq (ECP 2008) est le cofondateur et directeur technique de Nanoe. Il est l’inventeur principal de la technologie Zetamix. Il a mis au point la formulation des filaments céramiques, formulation qui est maintenant protégée par un brevet.

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