L’impression 3D à partir de métaux amorphes n’en est qu’à ses débuts. Mais lorsque cette technologie sera efficace et rentable, ces matériaux exceptionnels auront de quoi séduire les fabricants de DM, notamment dans le domaine de l'implantologie. C’est dans cet objectif que collaborent Trumpf et Heraeus Amloy.

Découverts seulement en 1960, les alliages métalliques amorphes, appelés aussi métaux amorphes ou verres métalliques, sont obtenus par le refroidissement extrêmement rapide du métal en fusion. Contrairement aux alliages métalliques classiques, qui présentent une structure cristalline, ces matériaux se distinguent par une répartition aléatoire des atomes qui les composent. Cette spécificité leur confère des propriétés mécaniques exceptionnelles. Les métaux amorphes sont en effet plus durs et plus résistants que l’acier, tout en étant plus légers et plus élastiques aussi. Ils sont en outre particulièrement résistants à la corrosion. C’est pourquoi ils séduisent de nombreuses industries telles que l’aéronautique, à la recherche de pièces capables de supporter des contraintes importantes.

Les métaux amorphes intéressent aussi beaucoup le secteur médical. D’autant plus qu’ils sont biocompatibles. Cet intérêt prendra assurément une dimension encore plus importante si les Allemands Trumpf et Heraeus Amloy parviennent à leurs fins : faire de la fabrication additive à partir de métal amorphe une méthode de production standard. Pour y parvenir, les deux entreprises travaillent de concert à améliorer le procédé, notamment en termes de rentabilité.

Rappelons que Trumpf propose principalement des solutions de production, qu'il s'agisse de machines-outils ou de systèmes laser. L'entreprise a développé aussi des équipements de fabrication additive métal, avec sa gamme TruPrint, dont le dernier modèle est résolument destiné au médical.

Quant à Heraeus Amloy, il s’agit d’une entité du groupe Heraeus, qui travaille sur le développement et le traitement de matériaux amorphes, notamment dans les procédés de moulage par injection. Heraeus Amloy s'est d’ailleurs fait remarquer en mai dernier, en recevant le prix "German Innovation Award 2020" décerné par le German Design Council, dans la section "Matériaux et surfaces" de la classe de compétition "Excellence in Business to Business".

Pourquoi imprimer des pièces en métaux amorphes ?

Comme plus personne ne l'ignore, l’impression 3D permet de produire des pièces de géométrie complexe, avec une liberté de conception supérieure à celle des technologies de fabrication classiques. Mais elle est encore plus intéressante dans le cas de pièces en métaux amorphes. Elle autorise en effet la réalisation de pièces particulièrement légères, en combinant sa capacité d’optimisation structurelle avec la légèreté inhérente aux métaux amorphes. De plus, ce type de matériau présente un comportement isotrope, ce qui signifie que ses propriétés mécaniques restent identiques, quelle que soit la direction dans laquelle l'imprimante 3D construit la pièce.

« L'impression 3D de composants amorphes dans l'industrie n'en est qu'à ses débuts », déclare Jürgen Wachter, directeur d’Heraeus Amloy. « Cette nouvelle collaboration nous aidera à accélérer les procédés d'impression et à améliorer la qualité de surface obtenue, de façon à réduire les coûts pour les clients. Cela rendra la technologie adaptée à une plus large gamme d'applications, dont certaines seront complètement nouvelles ».

« Les métaux amorphes présentent un potentiel considérable pour les dispositifs médicaux - l'une des industries les plus importantes pour la fabrication additive », ajoute Klaus Parey, directeur général de Trumpf Additive Manufacturing. « Cette collaboration est donc une belle opportunité pour nous de pénétrer davantage ce marché clé avec nos systèmes d’impression 3D industriels ».

Dans un premier temps, Heraeus Amloy a réussi à optimiser ses alliages amorphes pour l'impression 3D et à les adapter dans l'optique d'une utilisation avec le système par fusion de poudre TruPrint de Trumpf.

Un matériau optimisé et une imprimante adaptée

Le modèle TruPrint 2000 de dernière génération, introduit en novembre 2019 sur le salon Formnext, convient particulièrement bien à l'impression de pièces à partir de métaux amorphes. La machine est en effet conçue de manière à ce que la poudre en excès puisse resservir pour le processus de construction ultérieur en restant dans un environnement de gaz inerte. La poudre est ainsi continuellement protégée de toute influence défavorable. C'est un avantage clé pour les métaux amorphes qui réagissent rapidement à l'oxygène.

Avec la TruPrint, la poudre est préparée et recyclée en circuit fermé sous gaz inerte. Un point clé pour l’impression de métaux amorphes (source Trumpf).

Trumpf a également fait un bond sensible en matière de productivité avec la TruPrint 2000. Deux lasers de 300 watts parcourent en parallèle la totalité de la chambre de fabrication. Celle-ci offre un volume cylindrique de 200 mm de diamètre et d'une hauteur de 200 mm. Par ailleurs, en utilisant un diamètre focal laser de seulement 55 µm, les utilisateurs peuvent obtenir, d’après le fabricant, une qualité de surface extrêmement élevée en production, aussi bien pour les petites séries que pour les grandes.

La TruPrint 2000 se distingue également par une fonction nommée "Melt Pool Monitoring", qui garantit la surveillance automatique et exhaustive de la qualité du bain de fusion. Toute anomalie dans le procédé peut être détectée à un stade précoce au moyen de capteurs avec une visualisation des zones critiques de la pièce. Cette surveillance réduit les efforts requis pour la mise en application et le développement des procédés certifiés et les documents justificatifs qu'ils nécessitent. L'assurance qualité est complétée par une fonction de surveillance du lit de poudre (Powder Bed Monitoring) ainsi que des paramètres d'état de la machine.

Il est possible de commander, directement auprès d'Heraeus Amloy, des pièces imprimées en 3D à partir de métaux amorphes. En outre, les clients de Trumpf qui possèdent déjà une imprimante 3D de la gamme TruPrint peuvent d'ores et déjà l'utiliser pour produire des pièces à partir des alliages à base de zirconium d'Heraeus Amloy. Les deux partenaires espèrent aussi être en mesure de proposer prochainement des alliages à base de cuivre et de titane pour l'impression 3D.

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