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Domaines d'application et développement de l'impression 3D d'alliages de titane
Le titane est l'un des métaux les plus utilisés en fabrication additive et entre dans la composition de nombreux produits de haute performance, notamment l'aérospatiale, les prothèses articulaires, les instruments chirurgicaux, les cadres de vélos de course et autres. Le titane et ses alliages sont prisés par diverses industries pour leur haute résistance mécanique, leur rapport résistance/poids élevé et leur meilleure résistance à la corrosion que l'acier inoxydable. L'utilisation de ce matériau permet d'alléger les fusées et les avions, réduisant ainsi la consommation de carburant et augmentant la capacité d'emport. Il peut également servir à fabriquer des appareils électroniques plus légers, tels que les smartphones et les casques de réalité virtuelle, ainsi que des implants médicaux. De plus, la combinaison des propriétés intrinsèques du titane et des capacités uniques de l'impression 3D décuple ses avantages. Quelles sont donc les applications concrètes du titane imprimé en 3D ? Imprimantes sur le marché ?
△Pièces en titane imprimées en 3D
Articulations de hanche de GE Additive, pales de ventilateur de Sciaky, embouts de fusée d'Arcam Darker, composants en treillis de titane de 3D Systems, stents en titane d'EOS, implants chirurgicaux rachidiens de Zenith Tecnica
Impression 3D L'impression 3D permet une fabrication plus efficace du titane tout en réduisant le gaspillage de matières premières. Technologie additive, elle utilise généralement uniquement les matériaux nécessaires à la construction de la pièce, ainsi qu'une quantité relativement faible de matériau de support. L'impression 3D permet également de réaliser des conceptions complexes, telles que des canaux internes et des pièces creuses ou alvéolées, afin de réduire le poids, ce qui est impossible avec d'autres méthodes de fabrication. Sans moules ni outillage, l'impression 3D de titane permet de créer à moindre coût des pièces uniques, comme des implants personnalisés, des prototypes et des outils de recherche. Les exemples d'application de l'impression 3D de titane aux progrès de la fabrication, de la santé, de l'exploration spatiale et bien d'autres domaines sont innombrables.
Utilisation de l'impression 3D en alliage de titane
En 2023, Panerai a lancé la Submersible S Brabus PAM01283 dotée d'un boîtier en titane imprimé en 3D. L'image de droite montre que Holthinrichs Deconstructed a présenté la première montre en titane imprimée en 3D.
L'impression 3D de titane est déjà largement utilisée pour fabriquer des produits aussi divers que des dispositifs médicaux, des vélos de performance, des montres de luxe et des appareils électroniques grand public, dans l'espoir de proposer des produits légers mais résistants grâce à des conceptions innovantes, souvent sur mesure.
● Produits de précision et produits électroniques
L'impression 3D permet de produire des pièces en titane complexes aux parois très fines, souvent utilisées pour la fabrication de boîtiers de montres, comme ceux des modèles Panerai et Holthinrichs présentés ci-dessus. Il semblerait que des boîtiers en alliage de titane fassent également partie intégrante de l'Apple Watch Ultra.
△Cache de charnière en alliage de titane imprimé en 3D, utilisé dans le smartphone pliable Honor Magic V2 (2023)
En 2023, le fabricant de smartphones Honor a lancé son nouveau téléphone pliable Magic V2, doté d'un couvercle de levier de vitesse à charnière en titane imprimé en 3D, plus léger et 150 % plus résistant que la version précédente en aluminium. Honor a déclaré que cette petite pièce en titane, imprimable en 3D à des dizaines de milliers d'exemplaires, est la clé de la durabilité du produit et de la fluidité de son mécanisme de pliage et de dépliage.
● Implants médicaux et dentaires
△L'implant en titane imprimé en 3D Construx Mimi Ti Spacer System d'American Orthofix Medical a été approuvé par la FDA américaine en 2021.
Dans le secteur médical, les implants en titane imprimés en 3D ont fait leurs preuves dans les applications pour la colonne vertébrale, la hanche, le genou et les extrémités, grâce à la biocompatibilité intrinsèque et aux excellentes propriétés mécaniques du titane. L'impression 3D permet en effet de créer des structures poreuses sur mesure (favorisant ainsi l'ostéointégration) et de produire en série des implants adaptés aux besoins des patients, pour une meilleure prise en charge. Ces implants bénéficient d'une approbation réglementaire croissante et leur demande est en hausse. La plupart des implants médicaux étant conçus pour répondre aux besoins d'un grand nombre de personnes souffrant de la même pathologie, ils ne conviennent pas à tous, notamment aux personnes atteintes de maladies rares. Désormais, grâce à l'impression 3D, il est possible de fabriquer des implants spécifiquement conçus pour chaque patient.
En 2023, un chirurgien britannique a réalisé quatre opérations du poignet le même jour, en utilisant des plaques en titane imprimées en 3D sur mesure pour corriger des déformations du poignet consécutives à des fractures. Le Dr Akshay Malhotra, chirurgien orthopédiste consultant et responsable clinique du service de chirurgie de la main et du poignet, a déclaré : « Une fois la planification terminée, des plaques sur mesure sont imprimées à partir de poudre de titane, puis testées, expédiées au Royaume-Uni et stérilisées à l’hôpital du comté en vue de l’intervention chirurgicale. »
Les vis en titane imprimées en 3D de CoreLink présentent une structure poreuse qui favorise la croissance osseuse, et les nouvelles articulations de doigts en titane personnalisées du consortium FingerKit en sont un autre exemple.
En 2022, à l'hôpital Manipal en Inde, des médecins ont utilisé du titane imprimé en 3D pour traiter un patient atteint d'un cancer qui détruisait sa poitrine. En règle générale, des implants de cette taille seraient trop lourds pour le corps humain, mais le titane, léger et extrêmement résistant (moins de 250 grammes), est idéal pour l'impression d'implants internes. Grâce au succès de cet implant imprimé en 3D, le patient a guéri complètement et a pu reprendre une vie normale sans assistance respiratoire.
△Grâce à l'impression 3D en titane, Angel Cycle Works a pu réduire considérablement le poids et optimiser la conception du nouveau vélo Heaven.
Le titane imprimé en 3D est devenu courant sur les vélos de performance actuels. On l'utilise pour les manivelles, les leviers de frein, les potences, les pattes de dérailleur et même les cadres complets. Le titane est aussi résistant que l'aluminium et aussi léger que la fibre de carbone, sans les problèmes d'impact environnemental de cette dernière. Le fabricant de vélos Carbon Wasp explique pourquoi il abandonne l'aluminium et la fibre de carbone au profit du titane imprimé en 3D pour la fabrication de ses nouvelles manivelles. Carbon Wasp déclare : « Nous avons imaginé diverses solutions pour fixer la manivelle à l'axe de la boîte de vitesses sans comprimer la fibre de carbone, mais des inserts métalliques étaient toujours nécessaires, et coller ces inserts à la fibre de carbone posait problème. Après plusieurs prototypes, Carbon Wasp a constaté qu'une manivelle en titane à structure alvéolaire imprimée en 3D est aussi légère que celle en carbone, mais plus résistante aux impacts. Nous pensons toujours que la fibre de carbone reste le meilleur matériau pour de nombreuses autres applications, notamment le cadre, mais nous travaillons déjà sur d'autres pièces en titane. »
En parlant de cadres complets, le fabricant de vélos Angel Cycle Works affirme avoir imprimé en 3D un cadre entièrement en titane, d'une seule pièce, ce qui permet de gagner de précieuses secondes sur les temps de course et d'explorer de nouvelles géométries. Son nouveau vélo de route, baptisé Heaven, est 400 grammes plus léger que la version précédente. Autre exemple de cadre en alliage de titane lancé cette année par Pilot : le Pilot Seiren. Le cadre de ce vélo de route est entièrement imprimé en 3D à partir de titane (divisé en trois parties). L'entreprise explique que l'impression 3D du titane permet de personnaliser le vélo selon les préférences du cycliste, et que le cadre ne nécessite ni peinture ni revêtement.
△La société de vélos Mythos propose à ses clients une gamme de pièces en titane imprimées en 3D, notamment ces guidons, tandis que Verve Cycling (à droite) propose de nouveaux pédaliers en titane imprimés en 3D.
△GKN Aerospace prévoit d'ajouter une nouvelle imprimante 3D en titane à grande échelle à son usine du Texas
△Puisque la NASA n'en a besoin que d'un seul, l'impression 3D de composants en titane pour le bras déployable lunaire est plus logique que la fabrication traditionnelle.
● Fabrication
Le fabricant de semi-conducteurs ASML utilise désormais l'impression 3D au lieu du forgeage pour fabriquer les préformes de plateaux de support en titane (utilisées dans la production de plaquettes), ce qui lui permet d'économiser 64 % de matières premières et d'accélérer les délais de livraison. Norsk Titanium, une entreprise de fabrication additive métallique utilisant une plateforme de dépôt d'énergie dirigée (DED), imprime 80 kilogrammes (environ 176 livres) de préformes quasi-définitives en Ti64 destinées à la production de plaquettes de semi-conducteurs.
△Support de moyeu de roue en alliage de titane imprimé en 3D et fabriqué par l'Université de Washington
△Poudre de titane
△Le laboratoire d'impression 3D métal de l'université, le Centre conjoint de Washington pour le déploiement et la recherche sur les matériaux abondants sur Terre, fabrique des pièces en titane