L'impression 3D en métal : des moteurs-fusées aux implants sur mesure
Un laser fait fondre une poudre métallique couche après couche, et une pièce impossible à usiner sort du lit de poudre. Comment cette technique a conquis les moteurs-fusées, l'aviation et la chirurgie.
Usiner une pièce, c'est partir d'un bloc et enlever de la matière. L'impression 3D fait l'inverse : elle ajoute la matière là où il en faut, couche par couche. Pour les plastiques, la technique s'est répandue jusque dans les écoles. Pour les métaux, plus exigeants, elle a mis plus longtemps à mûrir. Aujourd'hui, elle produit des pièces de moteurs-fusées, d'avions de ligne et des implants chirurgicaux. Le procédé le plus répandu porte un nom technique : la fusion laser sur lit de poudre.
Un laser, de la poudre, et beaucoup de patience
Le principe a été mis au point en 1995 à l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser d'Aix-la-Chapelle, en Allemagne. Une raclette étale sur un plateau une couche de poudre métallique très fine, dont les grains mesurent quelques dizaines de micromètres. Un laser, d'une puissance de quelques centaines de watts, balaie la surface et fait fondre la poudre exactement là où la pièce doit exister, en suivant le plan numérique de cette tranche. Le plateau descend alors de quelques dizaines de micromètres, une nouvelle couche est étalée, et le cycle recommence, des milliers de fois.
Tout se passe sous un gaz neutre, de l'argon ou de l'azote, car un métal en fusion s'oxyde instantanément au contact de l'oxygène. On imprime ainsi du titane, de l'acier inoxydable, de l'aluminium, des alliages de cobalt-chrome, de cuivre, ou des superalliages à base de nickel comme l'Inconel, qui résistent à de très hautes températures. Une variante utilise un faisceau d'électrons sous vide au lieu d'un laser.
Ce que l'usinage ne sait pas faire
L'intérêt n'est pas de remplacer l'usinage pour des pièces simples : l'impression reste lente et coûteuse. Il est de fabriquer en un seul morceau des formes impossibles autrement : canaux internes sinueux, structures en treillis légères, pièces qui en remplacent des dizaines. L'exemple souvent cité est celui des injecteurs de carburant des moteurs d'avion LEAP, livrés à partir de 2016 : une pièce imprimée remplace un assemblage de vingt éléments, avec un gain de masse d'environ 25 %.
Les moteurs-fusées sont un terrain idéal. Leurs injecteurs et chambres de combustion sont parcourus de fins canaux de refroidissement, où circule le carburant glacé avant d'être brûlé. Les imprimer d'un bloc évite de nombreuses soudures et brasures, autant de points faibles. La NASA a ainsi testé des composants imprimés en alliage de nickel pour les moteurs J-2X et RS-25, et des constructeurs privés ont fait voler des moteurs dont la chambre de combustion est entièrement imprimée. Les délais de fabrication passent souvent de plusieurs mois à quelques semaines.
Des alliages pensés pour l'impression
L'impression ouvre aussi la porte à des matériaux nouveaux. Au centre Glenn de la NASA, une équipe a conçu par simulation numérique un superalliage, le GRX-810, renforcé par de minuscules particules d'oxyde réparties de façon homogène grâce au procédé d'impression. Selon la NASA, il supporte des températures de plus de 1 000 °C, se déforme mieux sans rompre, et résiste plus de mille fois plus longtemps que les meilleurs alliages de sa catégorie. Ce travail a été récompensé en 2023 par un prix R&D 100.
Et sur Terre ?
En médecine, l'impression du titane permet de fabriquer des implants adaptés à l'anatomie de chaque patient, à partir de son scanner : plaques crâniennes, pièces de reconstruction du bassin ou de la mâchoire. Elle permet surtout de donner aux implants une surface poreuse, en treillis, dans laquelle l'os peut repousser et s'ancrer. Les dentistes et prothésistes l'utilisent pour des armatures en cobalt-chrome. Dans l'industrie, l'impression sert à réparer des pièces coûteuses, à produire des outillages refroidis de l'intérieur, ou des pièces de rechange en petite série, sans stock.
Le procédé a ses limites : porosités, fissures, surfaces rugueuses, contraintes internes qui déforment la pièce. Presque toutes les pièces critiques passent ensuite par un traitement thermique sous haute pression, un usinage de finition et un contrôle minutieux, souvent par tomographie aux rayons X. Garantir qu'une pièce imprimée est aussi fiable que sa voisine reste le principal chantier de la filière.
Vers les étoiles
Pour les tuyères de propulsion nucléaire ou les boucliers de sondes qui frôleraient le Soleil, il faudra des céramiques capables de tenir au-delà de 3 000 °C, mises en forme par dépôt ou par impression. C'est l'objet d'une marche d'Anthropolaris, dont les retombées iraient aux fonderies et aux fabricants de fours, qui pourraient produire en petite série des creusets et des buses sur mesure (voir la marche C-MAT-03). Imprimer non plus seulement des formes, mais des matériaux dont la composition varie d'un point à l'autre de la pièce : c'est la prochaine frontière.