Si l’impression 3D ne représente aujourd’hui que 0,6% de la production, soit un marché d’environ 15 milliards de dollars, les experts estiment qu’il devrait atteindre 80 milliards de dollars d'ici 2030. Longtemps cantonné à quelques plastiques, cette nouvelle technologie est par ailleurs testée sur un nombre croissant de matériaux, dont le carbure de silicium.
Composants pour freins, moteurs d’avion, gilets pare-balles… toutes ces applications utilisent le carbure de silicium (SiC), un matériau «très recherché par les industriels en raison de ses excellentes propriétés mécaniques et thermiques» explique Samuel Bernard, directeur de recherche au CNRS, travaillant à l’Institut de recherche sur les céramiques (IRCER) de Limoges. C’est en effet une céramique robuste et inerte chimiquement, qui résiste aux chocs thermiques et ne s’oxyde qu’à de très hautes températures.
Un matériau très dur qui ne fond pas
Le SiC présente néanmoins l’inconvénient d’être «très difficile à mettre en forme» en raison de son extrême dureté. En effet, le principal procédé industriel de fabrication du SiC commercialement disponible est encore basé sur une méthode de synthèse à haute température (1800 degrés celsius) développée à la fin du XIXe siècle et qui permet l’obtention de SiC sous forme de poudres. Un processus qui nécessite d'ajouter des additifs jouant le rôle de liants afin de pouvoir former des pièces, ce qui requiert «des techniques d’usinage complexes et coûteuses. Malgré cela, il reste compliqué de réaliser toutes les formes que l’on souhaite», pointe Samuel Bernard.
Des difficultés que le directeur de recherche et son équipe espèrent faire sauter en misant sur une innovation chimique pour l’élaboration de céramiques couplée à un procédé d’impression 3D. Pour faciliter la mise en forme, l’équipe de quatre chercheurs travaille depuis quatre ans sur l’utilisation de polymères précéramiques appelés inorganiques. «Contrairement à un polymère organique, une fois chauffés, ces polymères inorganiques produisent un résidu, une céramique. Ils permettent la mise en forme du carbure de silicium lorsqu'ils sont introduits dans la machine d’impression 3D», détaille Samuel Bernard.
C’est là qu’arrivent différents défis précise le chimiste : « lorsqu’on le chauffe (à 1400 degrés celsius) pour le transformer en céramique, le polymère perd de la masse et on augmente de façon significative la densité du matériau qui évolue d'un polymère à une céramique. Cela crée un retrait volumique (qui peut atteindre 70%) avec le risque, si cela n’est pas maîtrisé, d’effondrer l’architecture mise en forme à l'état polymère ».
Une nouvelle méthode moins énergivore créée
Pour «réduire le retrait volumique (jusqu'à seulement 9%) et permettre de stabiliser la forme», les chercheurs ont ajouté des charges de silicium et de carbure de silicium dans le polymère inorganique. Actuellement, deux industriels, l’un dans l’aéronautique et l’autre dans le domaine militaire, testent les quelque 50 pièces déjà produites dans le laboratoire de recherche de l'IRCER à Limoges. Celui-ci a initié une nouvelle thèse sur le sujet qui se terminera en 2026. «L’objectif est notamment d’optimiser la mise en forme du polymère et le traitement thermique» précise Samuel Bernard.
L’équipe du CNRS n’est pas la première à s’intéresser à l’impression 3D du carbure de silicium : l'entreprise française Nanoe l’utilise depuis 2022 pour un nouveau filament de sa gamme Zetamix : le Zetamix Carbure de silicium. Mais, affirme Samuel Bernard, «les solutions actuellement utilisées, dont celle de Zetamix, nécessitent un traitement thermique à 2200 degrés, la nôtre à seulement 1400 degrés. Elle est donc beaucoup moins énergivore et permet plus de flexibilité sur la mise en forme grâce au polymère inorganique», assure-t-il.
Si Samuel Bernard argue que «beaucoup d'industriels sont intéressés, pour des applications militaires mais aussi civiles, en particulier dans l'aéronautique», il sait aussi que beaucoup n'en restent pas moins frileux à la perspective de bouleverser leurs méthodes de production.
