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L'impression 3D métal révolutionne le monde de la fabrication à une vitesse inédite, libérant les concepteurs et les ingénieurs des contraintes traditionnelles. Des composants aérospatiaux hautes performances aux dispositifs médicaux individuels, en passant par les équipements industriels complexes et légers, une sélection précise des matériaux métalliques est la clé pour exploiter pleinement ces possibilités. Cet article aborde en détail les principaux métaux imprimables en 3D , tels que les alliages de titane, les alliages d'aluminium, l'acier inoxydable, les alliages haute température, les aciers à outils et les métaux précieux , ainsi que leurs propriétés caractéristiques, leurs procédés appropriés et leurs principaux domaines d'utilisation, libérant ainsi le potentiel illimité de la fabrication additive métal.

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Pourquoi faire confiance à ce guide ? Expérience pratique des experts LS

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Alliage de titane : le roi de la légèreté et de la haute résistance

Introduction détaillée au Ti6Al4V (grades 5 et 23) et aux autres alliages de titane

Ti6Al4V

Également connu sous le nom d' alliage de titane TC4 , c'est un alliage de titane α+β typique. Sa composition chimique se compose principalement de titane (Ti) comme matrice ; d'aluminium (Al) (6 %) pour améliorer la résistance et la stabilité thermique de l'alliage ; et de vanadium (V) (4 %) pour améliorer la plasticité et la résistance à la corrosion. Le Ti6Al4V présente de nombreux avantages, notamment sa robustesse, sa ténacité, sa résistance à la chaleur et à la corrosion, ainsi qu'une faible densité. C'est l'alliage de titane le plus utilisé au monde, représentant plus de 50 % de l'utilisation mondiale d'alliages de titane. En résumé, il est plus dur que l'aluminium, plus léger que l'acier et plus résistant à la corrosion que l'acier inoxydable.

Grade 5 (Ti-6Al-4V)

La nuance 5 (Ti-6Al-4V), la nuance la plus utilisée, est l' alliage de titane le plus performant, car elle offre la meilleure combinaison de résistance à la traction (≥ 895 MPa), de limite d'élasticité (≥ 830 MPa) et de ductilité progressivement élevée (allongement ≥ 10 %) . La nuance 23 (Ti-6Al-4V ELI, Extra Low Interstitial) à faible teneur en interstitiels améliore considérablement, sans réduire la résistance élevée (résistance à la traction ≥ 828 MPa), la ténacité à la rupture et la tolérance aux dommages. Elle est particulièrement adaptée aux composants structurels porteurs critiques pour la sécurité, exigeant une fiabilité maximale, une résistance élevée aux contraintes multiaxiales ou un service à basse température, par exemple les colonnes montantes d'exploration de puits de pétrole en eaux profondes, les pièces aéronautiques et les prothèses articulaires.

Outre les séries Grade 5 et Grade 23, la famille d'alliages de titane comprend également le TC21 à haute résistance et durabilité (avec une résistance à la traction ≥ 1100 MPa), le TC11 à haute résistance à la température (-capable d'être utilisé à moins de 500 °C) et le titane pur commercial TA1/Ti Grade 2 (-bonne résistance à la corrosion et formabilité, couramment observé en génie chimique ainsi que dans les applications médicales générales). Tous les alliages contrôlent véritablement la teneur en éléments constitutifs comme Al, V, Ru et les éléments interstellaires (O, N, C et Fe) dans un effort pour satisfaire aux besoins différents et rigoureux des environnements de service en matière de résistance élevée, de ténacité élevée, de résistance élevée à la corrosion, de bonne soudabilité et de biocompatibilité élevée.

Caractéristiques

Rapport résistance/poids élevé, résistance élevée à la corrosion et bonne biocompatibilité. Les alliages de titane Ti-6Al-4V offrent un équilibre idéal entre propriétés mécaniques, physiques et anticorrosion.

Rapport résistance/poids élevé : Bien que sa masse volumique ne soit que de 4,43 g/cm³, soit seulement 60 % de celle de l’acier, la résistance spécifique de l’alliage de titane est égale, voire supérieure, à celle des aciers alliés à haute résistance. Ainsi, les composants en alliage de titane, soumis à une charge similaire, présentent une réduction de poids considérable de plus de 40 %. Sa limite d’élasticité, généralement comprise entre 800 et 880 MPa, est telle que le matériau présente , même sous contrainte élevée, une déformation ductile et est beaucoup moins susceptible de se rompre par fragilité.

Bonne résistance à la corrosion : Dans les milieux agressifs comme l'acide fluorhydrique, l'acide acétique et l'acide formique, une fine couche d'oxyde de titane passive extrêmement rapide adhère à sa surface, ce qui lui confère une bonne résistance à la corrosion, lui permettant ainsi d'être utilisé dans une utilisation chimique ainsi que dans une atmosphère aquatique.

Biocompatibilité supérieure : Les alliages de titane, en particulier le grade 23 ELI, sont non sensibilisants, non toxiques et non magnétiques pour les tissus humains. Leur module d'élasticité est très proche de celui de l'os humain, ce qui minimise considérablement la résistance aux contraintes et favorise une meilleure ostéointégration. Leur résistance à l'usure et leur bioactivité peuvent être encore améliorées par des traitements de surface (par exemple, des revêtements en nitrure de titane ). Ils sont donc particulièrement adaptés aux articulations artificielles (hanche et genou), aux plaques osseuses, aux vis osseuses, aux implants dentaires et aux implants craniomaxillo-faciaux avancés. L'implant prothétique personnalisé en alliage de titane, utilisé lors du premier remplacement total de corps vertébral cervical imprimé en 3D au monde, a pu être utilisé pendant huit ans chez ce patient et lui a permis de retrouver une vie normale, démontrant ainsi son haut niveau de biocompatibilité et sa longue durée de vie.

Processus pertinents : Les alliages de titane sont plus précis et efficaces dans le cas de l'impression 3D pour permettre la conception de composants personnalisés, par exemple, SLM , EBM et DED.

Applications : En raison de leurs propriétés exceptionnelles, les alliages de titane sont devenus un produit phare dans une gamme d'applications hautes performances, allant des stents aérospatiaux, des pièces de moteur, des remplacements d'articulations de dispositifs médicaux, des implants craniomaxillo-faciaux, des voitures de course hautes performances aux appareils de sport.

Acier inoxydable : l'épine dorsale de la résistance à la corrosion et des applications industrielles

Description détaillée du 316L (résistant à la corrosion), 17-4PH / 15-5PH (durcissement par précipitation), 304L, 420, etc.

Acier inoxydable 316L

L'acier inoxydable 316L , contenant du molybdène, est plus résistant à la corrosion que l'acier inoxydable 304 , ce qui en fait un matériau idéal pour les équipements de fabrication de pâtes et papiers . Il résiste également aux atmosphères industrielles et marines difficiles. Il résiste également plus longtemps à la précipitation de carbure que l'acier inoxydable 316, ce qui le rend idéal pour les applications à haute température. Alliage à faible teneur en carbone de l'acier 316, le 316L présente les mêmes caractéristiques que l'acier 316, mais avec une résistance accrue à la corrosion intergranulaire. Il s'agit d'une exigence spécifique pour les applications de l'acier 316, où la résistance à la corrosion intergranulaire est un paramètre important. Parmi tous les aciers inoxydables, le 316L et le 17-4PH sont généralement considérés comme le couple idéal pour l'impression 3D. Parmi tous ces aciers inoxydables, le 316L, avec sa meilleure résistance à la corrosion et sa biocompatibilité améliorée, est particulièrement performant dans les applications médicales.

17-4PH / 15-5PH (durcissement par précipitation)

L'acier inoxydable 15-5 est un acier inoxydable martensitique aux applications variées. Il est idéal pour les projets nécessitant une résistance à la corrosion et des performances transversales supérieures à celles des autres aciers martensitiques. La température de traitement thermique peut ensuite être modifiée pour ajuster la résistance et la dureté requises pour chaque projet.

Le 17-4PH est un alliage issu d'une famille d'aciers inoxydables martensitiques à durcissement par précipitation. Il présente une dureté et une résistance élevées, ainsi qu'une résistance modérée à la corrosion jusqu'à 300 °C. Il présente d'excellentes qualités de fabrication et peut être durci par vieillissement par un seul recuit à 480-550 °C. Cet alliage a largement été utilisé dans les équipements, les raccords et la quincaillerie de traitement des champs pétroliers et pétrochimiques.

Acier inoxydable 304L

Il s'agit d'un acier allié 304 à faible teneur en carbone . Le 304L présente une faible teneur en carbone, ce qui réduit la précipitation de carbures nocifs lors du soudage. De ce fait, le 304L peut être soudé en environnements corrosifs hostiles sans recuit. Ses propriétés mécaniques sont légèrement inférieures à celles du 304 standard, mais il est couramment utilisé en raison de sa polyvalence. Comme l'acier inoxydable 304 , il est couramment utilisé dans l'industrie brassicole et vinicole, mais peut également être utilisé pour la fabrication de produits non alimentaires, notamment pour les conteneurs de stockage de produits chimiques, l'exploitation minière et le bâtiment. Il est idéal pour les composants métalliques, comme les écrous et les boulons, exposés à l'eau de mer.

Français L'acier 304L bénéficie d'une demande stable qui existe dans des utilisations non applicatives comme la fabrication de prototypes en raison de sa compétitivité en termes de coûts. L'acier de nuance 420 est un acier inoxydable martensitique à haute teneur en carbone avec un niveau de chrome minimum de 12 %. L'acier de nuance 420, et l'acier inoxydable en général, peuvent être durcis à partir de son état initial par traitement thermique. L'acier de nuance 420, après avoir été recuit, est relativement ductile et présente une excellente résistance à la corrosion après polissage, après meulage de surface ou après trempe. L'acier de nuance 420 est idéal pour tout type de machines de précision, utilisations de type roulement, appareils électriques, instruments, compteurs, transport de véhicules, appareils de cuisine, service alimentaire et appareils médicaux en acier inoxydable.

Propriétés : Très haute résistance à la corrosion, propriétés mécaniques supérieures ou peut être traité thermiquement pour une résistance élevée et un coût relativement faible.

Processus d'application : En raison de leur résistance élevée, de leur résistance à la corrosion, de leur aptitude au traitement thermique à haute résistance et de leur compatibilité avec les procédés 3D métalliques populaires tels que SLM, DED et Binder Jetting, l'acier inoxydable est bien connu pour l'impression 3D de métaux .

Application : vannes de tuyauterie pour l'industrie chimique, alimentaire et maritime, dispositifs médicaux, pièces d'outils ou de moules, quincaillerie architecturale et pièces à fonction générale.

Alliages haute température : gardiens des environnements extrêmes

Aperçu complet des alliages à base de nickel et de cobalt tels que l'Inconel 718, l'Inconel 625, l'Hastelloy X et le Haynes 282.

Inconel 718

Il s'agit d'un alliage de nickel hautes performances, principalement utilisé dans les environnements corrosifs et à haute température. Il offre une résistance mécanique élevée, une résistance aux hautes températures et à la corrosion, ainsi qu'une soudabilité et une usinabilité optimales. Sa composition chimique riche en nickel, chrome, fer et autres alliages lui confère une excellente résistance à la chaleur et à l'oxydation.

Inconel 625

Il s'agit d'un alliage à base de nickel contenant du nickel, du chrome et du molybdène, ainsi que des traces de titane et d'aluminium . Il présente une bonne résistance à la corrosion et des caractéristiques à haute température. Ses propriétés lui permettent d'être utilisé dans divers environnements hostiles grâce à sa forte résistance à la corrosion et à l'oxydation.
Hastelloy X est un alliage haute température à base de molybdène et de chrome avec une teneur élevée en fer qui est un alliage renforcé par solution solide.

Hastelloy X

Il est résistant à l'oxydation et à la corrosion et présente une résistance au fluage et une ténacité élevées même à des températures élevées (par exemple, inférieures à 900 °C) et également dans des atmosphères de cémentation et de nitruration et dans des atmosphères neutres et réductrices.

alliage Haynes 282

Il s'agit d'un superalliage de renforcement avancé de grade Y, spécialement développé pour les applications structurelles à haute température, notamment pour les moteurs terrestres et à turbine dans l'aéronautique. Il offre un excellent équilibre entre soudabilité, stabilité thermique, résistance au fluage et usinabilité par rapport aux alliages commerciaux .

Propriétés : résistance exceptionnelle aux hautes températures, résistance élevée à l'oxydation, au fluage et à la corrosion.

Processus applicable : SLM, EBM, avec une expertise particulière en DED

Applications : Applications de moteurs d'avions , composants de turbines à gaz à section chaude (aubes de turbine, chambres de combustion), composants de moteurs-fusées, composants d'énergie nucléaire, fours à haute température.

Acier à outils et acier à matrices : résistant à l'usure et durable

Présentation détaillée : H13 (travail à chaud), acier maraging 300/350 (trempe par vieillissement), 18Ni300, M2 (acier rapide), Toolox 33/44, etc.

H13

C'est un acier à outils allié et un acier rapide, principalement utilisé pour les matrices haute température et haute pression, telles que les matrices forgées à chaud, les matrices moulées en alliage d'aluminium et les matrices d'extrusion à chaud. Le H13 possède une résistance à chaud élevée, une dureté à chaud, une ténacité et une résistance à la fatigue thermique supérieures, ce qui lui confère une excellente performance en service à haute température.

Propriétés : Grande dureté, grande résistance à l'usure et grande résistance aux températures élevées (acier pour travail à chaud) ; résistance extrêmement élevée après traitement thermique ( acier maraging ).

Acier maraging 300/350 (durcissement par vieillissement)

L'acier maraging 300/350, ou acier à durcissement structural, est un acier à haute résistance constitué d'une matrice martensitique à faible teneur en carbone (ou carbone libre), dont la dureté résulte de la précipitation de composés intermétalliques lors du vieillissement. Contrairement aux aciers à haute résistance conventionnels, sa dureté n'est pas due au carbone, mais à la précipitation et à la dispersion de composés intermétalliques. Il diffère donc de l'acier conventionnel sur plusieurs points. Ses caractéristiques comprennent une résistance élevée, une ténacité élevée, une faible trempabilité, une bonne formabilité, un traitement thermique aisé, une absence de déformation lors du vieillissement et une bonne soudabilité.

18Ni300

Il s'agit d'un alliage de la série Maraging 300, dont la composition et les qualités sont identiques. Ses principaux avantages sont une déformation minimale lors du vieillissement à basse température, ce qui permet d'obtenir une stabilité dimensionnelle de composants précis ; sa faible aptitude au travail à froid le rend idéal pour l'emboutissage et le formage complexes. Il est utilisé dans les coques de missiles, les bielles de voitures de course à haut rendement et les moules de moulage de précision.

M2 (acier rapide)

Il s'agit d' un acier à outils rapide à base de molybdène, un alliage composé principalement de carbone, de molybdène, de tungstène, de chrome et de vanadium . Cet acier offre une résistance élevée à l'usure, aux chocs et aux températures élevées (jusqu'à 600 °C), ce qui le rend utilisable dans la fabrication d'outils de coupe , de moules et de composants à haute résistance. Il se caractérise par une excellente uniformité de répartition du carbure et une grande ténacité, mais il est sujet à la surchauffe et nécessite un contrôle strict des paramètres de traitement thermique. L'ajout de cérium, une terre rare de premier ordre, affine la granulométrie du carbure, réduit la ségrégation de l'alliage et améliore sa résistance aux températures élevées et son aptitude à la mise en œuvre.

Toolox 33/444

Le Toolox 33/44, un acier révolutionnaire pour traitement thermique , est pré-trempé à HRC 33 (Toolox 33) et HRC 44 (Toolox 44) en usine, ce qui réduit les coûts et la durée du traitement thermique. Cet acier offre une grande efficacité d'usinage, des vitesses de coupe directe élevées et plus rapides, ainsi que de bonnes performances en électroérosion et en polissage, réduisant d'un tiers le temps de polissage. La compatibilité des traitements de surface optimise encore la résistance à l'usure. En grandes dimensions, il est couramment utilisé dans les moules d'injection , les matrices d'emboutissage automobile et les montages robotisés, réduisant ainsi les délais d'exécution.

Procédés applicables : SLM, EBM, avec une force particulière en DED.

Applications : inserts de moules d'injection/moulage sous pression, en particulier ceux dotés de canaux de refroidissement conformes, matrices d'emboutissage/formage, outils de coupe et pièces résistantes à l'usure.

Métaux précieux et alliages spéciaux : répondre à des besoins uniques

Or, argent et platine

Ce sont des métaux précieux permettant de répondre à des besoins uniques en matière d’impression 3D.
Bijoux : Les bijoux doivent être chimiquement inertes à température et pression ambiantes normales et résistants à la corrosion par les principaux constituants de l’eau et de l’air. La stabilité chimique de l’or est excellente. L’argent , d’aspect métallique blanchâtre, est facile à obtenir et bon marché, et s’est imposé comme le choix privilégié pour la bijouterie. Le platine , qui est de l’or blanc, d’ aspect métallique blanchâtre, est très ductile et résistant à la corrosion par les acides forts et les bases fortes, et possède un point de fusion extrêmement élevé.

Contacts électroniques spéciaux : dans les microcontacts électroniques , l'or résiste à l'érosion par arc ; l'argent résiste à l'inhibition de l'électromigration ; et le platine résiste à l'oxydation due aux températures élevées . Ces métaux nobles sont également utilisés dans les contacts de relais aérospatiaux et les connecteurs supraconducteurs en platine des machines d'imagerie par résonance magnétique nucléaire.

Dispositifs biomédicaux pour la recherche : capteurs implantés (or), dispositifs de libération de médicaments anticancéreux en platine et surfaces antibactériennes en argent.

Alliages de cuivre (cuivre pur, CuCrZr)

Hautement conducteurs d'électricité et de chaleur, ils sont utilisés dans les pièces de moteurs, les dissipateurs thermiques, les échangeurs de chaleur et les bobines d'induction. L'alliage cobalt-chrome (CoCrMo) est extrêmement résistant à l'usure et hautement biocompatible. Il est utilisé dans les restaurations dentaires ainsi que dans certains implants orthopédiques.

Procédés appropriés : SLM (paramètres spéciaux requis), BJ (métaux précieux) et DED (cuivre).

FAQ

1. La résistance des composants métalliques imprimés en 3D sera-t-elle similaire à celle des composants forgés ?

Oui. Une optimisation post-traitement appropriée des processus, par exemple par traitement thermique, peut permettre aux pièces métalliques résultantes produites par des processus tels que SLM ou EBM, par exemple, d'atteindre et même de dépasser la résistance et la fatigue des analogues de pièces forgées traditionnelles.

2. Pouvez-vous remplacer complètement la fabrication conventionnelle (par exemple, le moulage et la CNC ) par l'impression 3D métallique ?

Pas encore, c'est impossible. C'est mieux adapté aux formes complexes, à la personnalisation pour des productions courtes et aux alliages difficiles à usiner . La production en série de pièces banales, en revanche, est moins coûteuse et plus rapide avec les méthodes conventionnelles, et les deux procédés sont complémentaires.

3. Le métal imprimé en 3D nécessite-t-il un post-traitement ?

Oui, à de très rares exceptions près, tous les composants métalliques imprimés en 3D nécessitent un post-traitement. Les procédés courants associés à l'impression 3D de métaux sont le retrait des structures de support, la réduction des contraintes, le traitement thermique, la finition de surface (usinage, polissage, sablage ) et le HIP (pour améliorer la densité et éliminer les pores).

4. L’impression 3D métal est-elle plus coûteuse en raison du coût des matériaux ?

Son coût est généralement nettement supérieur à celui d'une barre ou d'un bloc de métal à partir duquel il serait fabriqué. Il ajoute une somme non négligeable au coût d'une impression 3D métal , même si son rapport qualité-prix global doit être évalué dans son ensemble, au même titre que sa liberté de conception et son rôle d'économie de matériaux.

Résumé

La bibliothèque de matériaux d'impression 3D métal continue de croître de manière exponentielle, des alliages de titane conventionnels aux alliages d'aluminium, en passant par l'acier inoxydable et les alliages haute température, en passant par les aciers à outils rares, les métaux nobles et les alliages de cuivre. Chacun d'entre eux offre, dans une combinaison individuelle, un éventail de propriétés telles que la résistance, la légèreté, la résistance aux hautes températures, la résistance à la corrosion, la conductivité électrique, la capacité thermique et la biocompatibilité pour des applications de haute technologie spécifiques. Des technologies de pointe permettent de transformer efficacement ces matériaux en géométries extrêmement complexes, impossibles à obtenir avec les procédés conventionnels, transformant ainsi la conception, le prototypage et la fabrication de composants hautes performances.

Si les contraintes de conception innovantes constituent votre défi, que la légèreté, la réduction des délais ou l'usinage de matériaux difficiles à usiner constituent votre principal défi, l'impression 3D métal et le choix de vos matériaux sont des solutions performantes. Une compréhension approfondie des propriétés et des applications de vos matériaux est essentielle pour exploiter cette technologie révolutionnaire, source de création et de différenciation. Choisir le bon métal nous ouvre des perspectives infinies en matière de fabrication additive !

Face à ces défis de plus en plus complexes, le service d'impression 3D de LS est votre outil indispensable. Il offre une précision industrielle, une répétabilité inégalée et une productivité optimale, permettant à vos idées de conception d'être réalisées de manière parfaite, cohérente et efficace. Choisir LS , c'est injecter une précision industrielle dans votre savoir-faire exceptionnel.

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