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Arrivée à maturité, l'impression 3D céramique gagne les applications techniques

Alexandre Couto
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Arrivée à maturité, l'impression 3D céramique gagne les applications techniques

L’impression industrielle de pièces en céramique progresse depuis quelques années. Le marché pourrait décoller d’ici deux à trois ans grâce à l’arrivée à maturité de nouveaux procédés.

Dans la famille de la fabrication additive, je demande… la céramique. Après les polymères et les métaux, le secteur de l’impression 3D continue d’élargir la palette des matériaux mis à la disposition des industriels. Isolation électrique, résistance mécanique et thermique, faible masse volumique, dureté élevée, inertie chimique, biocompatiblité… Les céramiques techniques ont de nombreux atouts. Cette famille de matériaux comprend notamment l’alumine (Al2O3), le dioxyde de zirconium (abrégé en zircone, ZrO2), l’hydroxyapatite (HA), le carbure de tungstène (WC), le carbure de silicium (SiC), matériau apprécié dans l’électronique de puissance.

Des procédés de mise en oeuvre complexes

Les céramiques techniques sont déjà utilisées dans divers secteurs de haute technologie, comme l’électronique, le spatial et le médical. Elles représentent un marché mondial évalué à 6,53 milliards de dollars, selon Mordor Intelligence, et qui devrait connaître une croissance annuelle de l’ordre de 7 % jusqu’en 2026.

Elles pâtissent cependant de procédés de mise en œuvre complexes, qui ralentissent leur développement. La matière se présente sous la forme de grains, qui sont mélangés avec un liant – polymère ou aqueux – pour former une pâte que l’on coule ensuite dans un moule. Dans le cas d’un liant aqueux, une pression est maintenue dans l’empreinte pour chasser l’eau, afin d’obtenir une pièce intermédiaire, dite « verte », qui doit ensuite être frittée dans un four à 1 500 °C, pour souder les grains entre eux. Avec un liant polymère, la pièce subit un déliantage dans un premier four. Cette étape sert à « brûler » le liant pour obtenir une nouvelle pièce intermédiaire, dite « brune », qui passera ensuite au frittage.

Une technique de compression isostatique à chaud peut également être utilisée pour densifier la poudre. Ces nombreuses étapes, ainsi que la fragilité des pièces intermédiaires, empêchent la mise au point de certains designs. D’autant plus que les céramiques sont presque impossibles à usiner après le frittage : en raison de la rigidité du matériau, la pièce est soit cassante (la céramique, contrairement aux métaux, n’est pas ductile, elle emmagasine l’énergie de l’usinage jusqu’à se rompre), soit extrêmement résistante, et requiert, comme dans le cas du carbure de tungstène, des outils d’usinage en diamant.

Créer des structures lattices

Autant de contraintes qui ont créé un besoin de nouveaux procédés de fabrication, dans lequel s’engouffre l’impression 3D. Pour Olivier Durand, le directeur du Centre de transfert de technologies céramiques (CTTC), cette évolution de l’impression 3D vers les céramiques, après être passée des polymères aux métaux, obéit à une logique de recherche de performances. « Les céramiques sont des matériaux vers lesquels on se tourne quand les polymères et métaux échouent à apporter les fonctionnalités désirées. Les procédés de fabrication additive polymère et métal ont atteint un niveau de maturité suffisant pour voir les limites de ces techniques, mais aussi envisager un transfert de technologie vers la mise en œuvre de céramiques. »

Des spécialistes de la fabrication additive polymère développent désormais une offre céramique. Toutefois, cette technologie présente encore des inconvénients par rapport aux procédés traditionnels. Elle nécessite par exemple un déliantage et un frittage en post-traitement, entraînant une réduction de la taille de la pièce de l’ordre de 20 %. Mais elle offre une liberté importante dans la conception en s’affranchissant des moules et en permettant de créer des structures lattices. Par ailleurs, les pièces « vertes » issues de ce procédé sont davantage manipulables.

Le marché mondial des céramiques techniques fabriquées par impression 3D passera de 40 millions de dollars en 2020 à 1,6 milliard en 2030, selon une étude de Smartech Publishing publiée en avril 2020, qui table sur un taux de croissance annuel moyen de 40 % du chiffre d’affaires mondial des applications techniques pour les céramiques imprimées en 3D. « Nous nous attendons à une inflexion du marché de la fabrication additive céramique à l’horizon 2023-2024, précise Olivier Durand. Cela correspondra à l’arrivée à maturité d’une nouvelle génération d’imprimantes dédiées aux applications industrielles et à la montée en production sur certaines applications clés. »

La France bien positionnée sur cette technologie

Parmi les entreprises positionnées sur ce marché, l’allemand Lithoz, avec son imprimante CeraFab 7500 reposant sur la stéréolithographie DLP (digital light processing), apparaît comme un acteur majeur. De même que le néerlandais[…]

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