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 Admatec, qui utilise également le procédé DLP. Cependant, l’innovation made in France est particulièrement bien placée pour répondre aux besoins de ce marché à forte valeur ajoutée et passer le cap de l’industrialisation. La France peut s’enorgueillir de détenir l’un des pionniers de cette technologie avec 3D Ceram.
La société, située à Limoges (Haute-Vienne), a commencé son activité en 2005 en produisant des pièces céramiques imprimées en 3D selon un procédé de stéréolithographie (SLA) maison. Elle commercialise sa première imprimante en 2015, la Ceramaker, puis rejoint en 2017 le groupe japonais Sinto et se lance dans le développement d’une gamme de machines dédiées aux céramiques techniques. Aujourd’hui, elle propose quatre modèles orientés vers les applications industrielles.
Le choix technologique de 3D Ceram s’est porté sur une variante du SLA, la photopolymérisation par laser. Le procédé consiste à durcir, au moyen de plusieurs lasers, un polymère photoréactif liquide et chargé de grains céramiques. La matière est placée dans un bac et la pièce est produite couche par couche. La Ceramaker produit une pièce « verte » plus résistante qu’avec le procédé traditionnel, mais qui devra subir des étapes de déliantage et de frittage.
La dernière machine industrielle mise au point par la société limougeaude, la C3600 Ultimate, permet de produire des pièces avec une résolution de 30 microns. Sa chambre d’impression mesure 600 x 600 x 300 mm et elle est dotée de quatre lasers. « C’est une machine que nous avons conçue pour les industriels voulant faire de la série, souligne Kareen Malsallez, la responsable marketing de 3D Ceram. La production de pièces céramiques demeure un processus lent. Nous pallions cela en offrant plus de place dans la machine pour imprimer plus de pièces en même temps. » L’imprimante est capable de produire des pièces dans les principales céramiques techniques : zircone, alumine, hydroxyapatite, mais aussi carbure de silicium. 3D Ceram travaille pour différents secteurs, du spatial [lire ci-dessous] au biomédical, en passant par la défense et l’automobile. Non seulement il équipe, mais produit également des pièces pour Thales, Safran et Air liquide notamment.
Formuler sa propre matière
Acteur majeur de l’écosystème français de la fabrication additive, le fabricant d’imprimantes 3D Prodways possède également une offre dédiée à la céramique. Son modèle ProMaker V6000 est destiné à l’industrie. Sa chambre d’impression (120 x 500 x 150 mm) permet une résolution de 32 microns et une épaisseur de couche de 10 microns. Prodways utilise également un procédé de photopolymérisation, mais a opté pour la technologie DLP, où l’image de la couche est projetée en une fois dans le bac contenant le mélange de polymère photoréactif et de grains de céramique. Ce procédé réduit les temps d’impression par rapport à la photopolymérisation par laser, lorsqu’il s’agit de pièces de grandes dimensions, car il s’affranchit du va-et-vient des lasers. Prodways annonce une densité céramique de 99 % après les opérations de post-traitement.
À côté de ces constructeurs déjà bien implantés dans le domaine de la céramique, certains acteurs ayant initialement développé une offre polymère émergent sur ce marché. C’est le cas de la start-up Pollen AM. Son imprimante Pollen AM Pam Series MC s’appuie sur une technique d’extrusion de filament plastique chargé de poudre céramique. Inspiré de la plasturgie et proche de l’impression 3D par dépôt de fil fondu, ce procédé permet de produire un filament à partir de granulés plastiques formulés à façon. « Notre client peut ainsi mettre au point et formuler sa propre matière. Nous avons mis au point un système le plus ouvert possible », explique Didier Fonta, le directeur général de Pollen AM.
La société Lynxter s’est lancée en 2020 dans l’impression céramique et propose une imprimante hautement polyvalente. La tête d’impression de sa machine S600D permet d’extruder jusqu’à trois matériaux à la fois. Son procédé permet notamment de mettre en œuvre des matières de type pâte, c’est-à-dire des céramiques associées à un liant aqueux, selon une technique dite de Robocasting. Les pièces « vertes » doivent juste être séchées avant frittage. Elles sont plus fragiles qu’avec les liants polymères, mais le procédé permet de sauter l’étape de déliantage et donc d’accélérer la production. Lynxter travaille avec le CTTC pour mettre au point de nouveaux matériaux.
Trois solutions sur le marché
Pour la précision
L’imprimante 3D industrielle céramique ProMaker V6000 de Prodways utilise la technologie DLP MovingLight, brevetée pour la production de pièces en céramique. Elle utilise des rayons UV en mouvement pour obtenir une résolution à 32 microns par pixel. De quoi obtenir une densité de céramique de 99 % après l’opération de déliantage.
Pour la polyvalence
Se présentant comme une plate-forme industrielle évolutive et ultra-polyvalente, l’imprimante S600D de Lynxter permet d’imprimer des matériaux variés et performants sur une seule machine. La tête outil peut être changée pour imprimer, au choix, des matières céramiques sous forme de pâtes, utilisant des liants aqueux, ou des filaments polymères chargés d’une poudre céramique.
Pour l’ouverture
Pollen AM laisse la possibilité à ses clients d’utiliser la matière de leur choix. Sa machine Pollen AM Pam Series MC repose sur une technologie inspirée de la plasturgie pour transformer des granulés de matière plastique en un filament à déposer. Le modèle MC est renforcé pour pouvoir résister à l’extrusion d’un filament polymère chargé de poudre céramique, fortement abrasif.
« Ce procédé nous permet de nous rapprocher des limites fondamentales de la physique »
Nicolas Capet, Président d'Anywaves« La miniaturisation des antennes des satellites est un enjeu majeur pour les communications dans le spatial. Cela est d’autant plus vrai avec le new space et la réduction de la taille des satellites. C’est pourquoi nous utilisons des matériaux présentant une forte permittivité diélectrique afin de réduire naturellement les longueurs d’ondes, et donc de miniaturiser les antennes. Jusqu’à présent, il y avait peu de matériaux et de procédés qualifiés pour ces applications. Chez Anywaves, nous avons pris le parti de qualifier un matériau, la céramique, et un procédé, la fabrication additive développée par 3D Ceram, pour pousser l’innovation. En utilisant ce matériau, associé à la fabrication additive, nous pouvons choisir très précisément la géométrie de l’antenne et nous ajustons sa permittivité. Nous créons ainsi des sortes de dentelles dans la matière, ce qui ne serait pas possible avec un procédé traditionnel. L’impression 3D nous permet ainsi de nous rapprocher des limites fondamentales de la physique. En outre, la céramique est un matériau redoutable en termes de résistance aux différents environnements. Il a toute sa place dans le spatial. »
