Poudre d'impression 3D à base de titane

poudre d'impression 3D de titane est un métal solide, léger et résistant à la corrosion, idéal pour l'impression 3D de pièces complexes et durables dans les domaines de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile et d'autres applications industrielles. Cet article présente une vue d'ensemble de la métallurgie des poudres de titane pour la fabrication additive.

Vue d'ensemble poudre d'impression 3D de titane

Le titane est l'un des métaux les plus utilisés dans les technologies d'impression 3D par fusion sur lit de poudre et par dépôt d'énergie dirigée. Voici quelques-uns des principaux avantages des pièces en titane imprimées en 3D :

• Rapport résistance/poids élevé
• Résiste aux températures extrêmes et à la corrosion
• Biocompatible pour les implants médicaux
• Géométries complexes impossibles à réaliser par moulage ou usinage
• Réduction des déchets par rapport aux méthodes soustractives
• Délais et coûts réduits par rapport à la fabrication traditionnelle du titane

Cependant, le titane est réactif à haute température et nécessite des chambres inertes pendant l'impression en utilisant de l'argon ou de l'azote. Les propriétés du titane imprimé en 3D dépendent de plusieurs facteurs :

Facteurs clés influençant les propriétés d'impression 3D du titane

Paramètres	Description	Effet sur les propriétés
Nuance d'alliage de titane	Niveaux de pureté du titane, de l'aluminium, du vanadium, etc.	Solidité, dureté, ductilité, résistance à la corrosion
Distribution de la taille des poudres	Gamme de particules de poudre fine à grossière	Densité, état de surface, précision
Épaisseur de la couche	Des couches plus fines améliorent la résolution mais augmentent les temps d'impression	Précision, tolérances, rugosité de surface
Source d'énergie	Laser, faisceau d'électrons, arc plasma	La fusion localisée, le chauffage, les taux de refroidissement affectent la microstructure.
Orientation de l'impression	Structures verticales et horizontales	Résistance anisotrope, peut nécessiter des supports
Pressage isostatique à chaud	Post-traitement pour éliminer les pores	Amélioration significative de la densité et de la résistance à la fatigue

Avec des paramètres optimaux, les pièces en titane imprimées en 3D atteignent ou dépassent les propriétés des produits d'usine corroyés, tout en permettant des conceptions innovantes impossibles à réaliser avec des méthodes soustractives.

Types de poudre d'impression 3D de titane pour AM

Les alliages de titane sont disponibles en différentes qualités formulées pour différents processus de fabrication additive. Les poudres de titane les plus courantes sont les suivantes

Grades de poudre de titane courants pour l'impression 3D

Alliage	Description	Applications
Ti-6Al-4V ELI	Version à interstitiel extra-faible de l'alliage Ti64 de référence	Composants aérospatiaux, implants biomécaniques
Ti 6Al-4V	Catégorie la plus populaire, bonne solidité et résistance à la corrosion	Automobile, quincaillerie marine, articles de sport
Ti-6Al-7Nb	Biocompatibilité supérieure à celle du Ti64	Implants orthopédiques et dentaires, instruments chirurgicaux
CP-Ti Grade 2	Titane commercialement pur, plus souple que les alliages	Équipement de traitement alimentaire/chimique
Ti-555	Qualité aérospatiale à haute résistance	Composants structurels d'aéronefs, moteurs de fusée
Ti-1023	Résistance exceptionnelle à la fatigue et au fluage	Aubes de turbines, trains d'atterrissage, fixations

La distribution de la taille des particules est une caractéristique clé qui détermine la densité finale et la finition de la surface. Les poudres plus fines, de l'ordre de 10 à 45 microns, s'écoulent et se compactent mieux, tandis que les poudres plus grossières, de l'ordre de 100 microns, facilitent l'enlèvement de la poudre et réduisent les coûts des matériaux.

Spécifications de la poudre de titane

Paramètres	Gamme typique
Taille des particules	15-45 microns, jusqu'à 150 μm
Débit	<15 s/50 g
Densité apparente	2,1-3,0 g/cm3
Densité du robinet	3,2-4,1 g/cm3
La pureté	>99,5% titane
Teneur en oxygène	<0,20%
Teneur en azote	<0,03%
Teneur en hydrogène	<0,015%

Les fabricants affinent continuellement les méthodes de production de poudre de titane et les compositions d'alliage pour répondre à la demande croissante de composants en titane de haute performance fabriqués de manière additive dans toutes les industries.

Comment la poudre de titane est-elle fabriquée ?

La poudre de titane métallique présente un rapport surface/volume plus élevé que les formes solides telles que les lingots ou les fils d'alimentation. Il existe plusieurs techniques modernes de fabrication de poudres :

• Atomisation par plasma - Des jets de gaz inertes à haute vitesse décomposent les flux de titane fondu en fines gouttelettes qui se solidifient rapidement en poudres sphériques à la morphologie de surface lisse. Cela permet d'obtenir des particules de taille constante avec peu de satellites.
• Atomisation des gaz - Comme pour l'atomisation au plasma, des pressions de gaz plus faibles génèrent des poudres moins fines convenant à l'impression EBM. Les poudres présentent des éclaboussures avec des formes irrégulières et des satellites.
• Procédé à électrodes rotatives - Des barres ou des fils d'alliage de titane sont fondus par des arcs sous atmosphère inerte et les forces centrifuges éjectent le métal qui se solidifie ensuite en particules sphériques aplaties. Production économique de poudres en forme d'éponge.
• Procédé Hydrure-Dehydride - La poudre d'hydrure de titane finement divisée est décomposée sous vide, ce qui entraîne sa désintégration en poudre de titane métallique fine avec une impureté d'oxygène plus élevée autour de 0,35-0,5%.

Toutes les méthodes nécessitent un tamisage et une séparation poussés de la poudre afin d'obtenir des fractions de taille spécifique adaptées à la technique d'impression 3D, généralement autour de 10-150 microns. Des particules sphériques et lisses permettent d'obtenir une meilleure densité d'emballage et une meilleure fluidité. Le reconditionnement, le mélange et le stockage sous atmosphère inerte des poudres sont essentiels avant leur utilisation.

Fabricants de poudre de titane

Parmi les principaux fournisseurs mondiaux de poudres d'impression à base de titane, on peut citer

Entreprise	Localisation	Produits
AP&C	Canada	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, alliages sur mesure
Additif pour charpentier	ÉTATS-UNIS	Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, nuances sur mesure
GKN Additive	Suède	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64
Technologie LPW	ROYAUME-UNI	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, alliages mixtes
Praxair	ÉTATS-UNIS	CP Ti grade 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI
TLS Technik	Allemagne	Alliages Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe

Ces entreprises améliorent en permanence les processus de production et les normes de qualité afin de fournir des poudres de titane sans défaut, adaptées à toutes les principales machines d'impression 3D en métal.

Coûts de la poudre de titane

En tant que matériau structurel léger, les poudres métalliques de titane sont environ 4 à 5 fois plus chères que l'aluminium et 2 à 3 fois plus chères que les aciers communs en termes de poids. Les prix varient en fonction de la qualité de l'alliage, de la qualité et de la taille du lot, de quelques kg à une tonne.

Alliage	Fourchette de prix par kg
CP Ti Gr 2	$50 – $150
Ti-6Al-4V	$80 – $450
Ti-6Al-4V ELI	$100 – $650
Ti 6Al-7Nb	$250 – $1000
Ti-555	$150 – $850
Ti-1023	$500 – $2000

Les déchets de poudre de titane issus de l'impression 3D peuvent être réutilisés pour compenser les coûts des matériaux après avoir testé la contamination et vérifié les propriétés. Les coûts globaux des pièces dépendent des taux de fabrication, de la main-d'œuvre, de la complexité de la conception et du post-traitement, en plus des dépenses liées aux matières premières.

Applications des pièces en titane imprimées en 3D

Grâce à sa durabilité, sa biocompatibilité et sa liberté de conception, l'impression 3D de métaux étend l'utilisation du titane à diverses industries :

Aérospatiale - Composants de moteurs d'avions et de fusées, cellules d'avions, hélicoptères, drones. Réduit le nombre de pièces jusqu'à 90% par rapport aux structures assemblées.

Médical et dentaire - Implants orthopédiques, prothèses, fixations et instruments pour lesquels une résistance élevée et une biocompatibilité sont essentielles. Permet des conceptions personnalisées adaptées à l'anatomie du patient.

Automobile et sports mécaniques - Alléger les pièces telles que les bielles, les changements de vitesse, les arbres d'hélice tout en dépassant les exigences de sécurité. Permet des gains de performance grâce à l'optimisation de la topologie.

Équipement industriel - Roues, vannes, tuyaux et échangeurs de chaleur en titane massif résistant à la corrosion et à l'érosion. Les canaux de refroidissement conformes minimisent l'usure de l'outil pendant le moulage par injection.

Biens de consommation - Équipements sportifs personnalisés tels que cadres de bicyclettes, têtes de clubs de golf, pagaies de kayak, dotés de structures ergonomiques intégrées en treillis de titane.

L'impression 3D permet d'obtenir de nouvelles géométries de titane impossibles à réaliser par moulage, tout en permettant une production en faible volume pour des applications spécialisées, avec des délais d'exécution accélérés et des économies sur le coût du cycle de vie.

Procédés d'impression 3D de métaux pour le titane

Il existe plusieurs techniques de fabrication additive adaptées à la fusion sur lit de poudre de titane :

Procédés de fusion sur lit de poudre

Processus	Description	Exemples de matériel
DMLS	Le frittage direct de métaux par laser fusionne des poudres à l'aide d'un laser à fibres optiques	Série EOS M
SLM	La fusion sélective par laser permet de fondre entièrement la poudre en pièces denses.	Solutions SLM
EBM	Le faisceau d'électrons fait fondre sélectivement la poudre sous vide	Arcam A2X

Ces procédés à lit de poudre consistent à étaler une fine couche de poudre de titane, à la faire fondre sélectivement à l'aide d'une source de chaleur ciblée, à abaisser la plaque de construction et à répéter le processus pour construire des pièces de bas en haut. La chambre à gaz inerte empêche l'oxydation à haute température. Les bassins de fusion se solidifient rapidement, ce qui donne de fins grains de titane équiaxes, dont les propriétés isotopiques sont similaires à celles des produits corroyés.

Les systèmes SLM et DMLS offrent une résolution et des finitions de surface plus élevées, tandis que l'EBM se caractérise par des taux de fabrication plus rapides pour les prototypes moins coûteux à faible densité. Les systèmes hybrides multi-laser réduisent les coûts des pièces et les temps de fabrication.

Dépôt d'énergie dirigée

Les procédés DED, comme le laser engineered net shaping (LENS), soufflent de la poudre métallique dans un bain de fusion créé par un laser ou un arc focalisé sur une plaque de substrat afin de déposer des billes côte à côte. Le procédé DED est idéal pour les grandes pièces de forme quasi-nette qui subissent un usinage final. Des alliages de titane plus résistants, plus ductiles, plus résistants à la rupture et plus résistants au fluage peuvent être fabriqués en optimisant les paramètres du LENS.

Jetting de liant

Grâce à la technologie des têtes d'impression à jet d'encre, le binder jetting dépose sélectivement un liant liquide sur un lit de poudre de titane pour former des pièces vertes compactes couche par couche. Le frittage à haute température permet d'obtenir une densité de ~95% tout en évitant les contraintes résiduelles pendant l'impression. Le jet de liant est plus adapté aux composants en titane plus petits avec des charges structurelles modérées et des propriétés inférieures à celles des matériaux corroyés.

Post-traitement de poudre d'impression 3D de titane les pièces

Après le processus de fabrication, les composants en titane peuvent subir plusieurs étapes de post-traitement :

• Suppression de la structure de support par découpage au fil EDM
• Traitement thermique de détente
• Pressage isostatique à chaud (HIP)
• Solution traitement et vieillissement
• Grenaillage de précontrainte pour induire des contraintes de compression
• Usinage - tournage, perçage, fraisage pour répondre aux exigences de tolérance sur les surfaces d'accouplement critiques
• Finition de surface - meulage, sablage, polissage, gravure pour lisser les surfaces
• Nettoyage et stérilisation de pièces médicales

Le traitement HIP consiste à appliquer de l'argon à haute pression sous vide et à température élevée. Il permet d'éliminer les vides internes et la microporosité, améliorant ainsi la durée de vie de 5 à 10 fois pour les composants aérospatiaux critiques. Cependant, le traitement HIP modifie la microstructure telle qu'elle est imprimée.

Les coûts globaux des pièces augmentent en raison des nombreuses étapes manuelles de post-traitement pour les applications dont la qualité est critique. Des stations de post-traitement intégrées et automatisées apparaissent à côté des imprimantes à métaux, ainsi que des efforts de normalisation de la qualité tout au long de la chaîne de valeur de l'AM, promettant une plus grande cohérence et une meilleure répétabilité pour les composants en titane destinés à l'utilisation finale.

Propriétés des alliages de titane imprimés en 3D

Les propriétés mécaniques des alliages de titane couramment utilisés dépendent de divers facteurs tels que la qualité de la poudre, l'épaisseur de la couche, les paramètres du laser, l'orientation de la construction, les traitements thermiques et le HIP.

Ti-6Al-4V Propriétés ELI

Paramètres	Tel qu'imprimé	Après HIP	Ti-6Al-4V ELI corroyé
Résistance à la traction	1050 - 1250 MPa	~980 MPa	860 - 965 MPa
Limite d'élasticité (décalage de 0,2%)	1000 - 1150 MPa	~930 MPa	795 - 880 MPa
Allongement à la rupture	8 – 15%	10 – 18%	10 – 16%
Module d'élasticité	100 - 114 GPa	110 - 115 GPa	110 - 114 GPa
Résistance à la fatigue (10^7 cycles)	400 - 600 MPa	500 - 800 MPa	550 - 750 MPa
Dureté	34 - 44 HRC	32 - 40 HRC	33 - 37 HRC

Le Ti-6Al-4V ELI présente une résistance à la traction et une dureté comparables ou supérieures à celles des produits corroyés traditionnels, tandis que la ductilité et la fatigue à haut cycle se rapprochent des propriétés des matériaux forgés après HIP.

Propriétés de Ti-6Al-7Nb

Paramètres	Valeurs typiques telles qu'imprimées	Forgé
Résistance à la traction	900 - 1300 MPa	860 - 1100 MPa
Limite d'élasticité (décalage de 0,2%)	800 - 1250 MPa	795 - 965 MPa
Allongement à la rupture	5 – 15 %	8 – 20%
Module d'élasticité	95 - 115 GPa	100 - 115 GPa
Dureté	~334 HV	~302 HV

L'ajout de niobium augmente la biocompatibilité par rapport au vanadium tout en offrant une résistance supérieure à celle des implants traditionnels en Ti-6Al-4V. Les paramètres SLM optimisés produisent des structures denses en Ti-6Al-7Nb de qualité médicale qui rivalisent avec les propriétés corroyées.

Directives et limites de conception

Pour tirer pleinement parti des avantages de la fusion sur lit de poudre, les ingénieurs doivent concevoir des pièces spécifiquement destinées à la fabrication additive :

Pratiques de conception optimales

• Minimiser la masse superflue pour réduire le poids grâce aux structures en treillis
• Consolider les sous-ensembles en composants uniques
• Incorporer des formes organiques, des contours non disponibles à l'usinage
• Canaux de refroidissement convergents intégrés, ce qui n'est pas possible avec les pièces moulées
• Renforcer les zones soumises à de fortes contraintes par un remplissage gyroïde ou une texture
• Normaliser les interfaces, les raccords et les fixations pour les assemblages modulaires
• Paramétrer les familles de pièces en gardant les caractéristiques critiques communes

Limites de conception

• Les angles de débordement supérieurs à 60 degrés nécessitent des supports
• Les rapports d'aspect extrêmes supérieurs à 5:1 risquent de s'effondrer ou de se déformer.
• Épaisseur minimale de la paroi ~0,8 mm, caractéristiques fines > 0,4 mm
• Les poches étroites peuvent piéger de la poudre non pulvérisée nécessitant des trous d'évacuation.
• Éviter les cavités creuses isolées de l'accès à l'enlèvement de la poudre
• Filets généreux nécessaires pour réduire les contraintes résiduelles
• Le post-usinage est essentiel pour les ajustements, les joints et les roulements.

La formation initiale des ingénieurs à la DfAM, combinée à celle des concepteurs expérimentés en AM, permet d'éviter les reprises de travail dues à l'absence de conceptions prêtes pour la production de pièces imprimées en métal destinées à l'utilisation finale.

Analyse comparative

Impression 3D ou titane coulé ou usiné

Les pros de la fabrication additive

• Liberté de conception pour les structures légères
• Réduction du nombre de pièces grâce à la consolidation
• Formes personnalisées répondant aux exigences du terrain
• Élimination des outils nécessaires pour les matrices de coulée ou la CNC
• Un processus plus sûr et durable avec moins de déchets
• Délai d'exécution plus court pour les lots de faible volume

Cons

• Des cadences de construction plus lentes que la production de masse
• Limites de taille imposées par les chambres de construction plus petites
• Coût par pièce plus élevé pour les quantités moyennes
• Nettoyage approfondi du support entraînant des défauts de surface
• Le post-traitement réduit les propriétés des matériaux imprimés
• L'anisotropie entraîne des faiblesses directionnelles
• Des normes et des qualifications toujours en cours de maturation

Titane imprimé en 3D et autres métaux

Paramètres	Titane	Aluminium	Acier inoxydable	Alliages de nickel
La force	Haut	Moyen	Moyen	Très élevé
Rigidité	Moyen	Moyen	Haut	Haut
Densité	Léger	Très léger	Plus lourd	Plus lourd
Coût	Haut	Faible	Moyen	Haut
Durée de vie à la température	Excellent	Juste	Mieux	Le meilleur
Résistance à la corrosion	Excellent	Foire/Coatings	Le meilleur	Mieux
Bio-compatibilité	Excellent	Bon	Juste	Pauvre
Propriétés magnétiques	Non	Non	Légèrement magnétique	Magnétique

Le titane se distingue par ses performances mécaniques à haute température, sa souplesse de conception, sa faible masse et sa résistance aux conditions extrêmes. Les capacités étendues de l'AM aident à surmonter les défis traditionnels de la fabrication, à savoir les ratios élevés d'achat et de vol et les longs délais d'exécution, qui ont limité les applications antérieures en dépit des propriétés exceptionnelles du titane.

Perspectives de l'industrie et avenir du titane AM

La fabrication additive est l'un des segments de la fabrication qui connaît la croissance la plus rapide, avec des imprimantes de plus en plus grandes et rapides, utilisant plusieurs lasers et des bras robotisés. Les pièces en titane sont qualifiées pour la production en série dans les secteurs de l'aviation, de l'espace, de l'énergie, des sports mécaniques et de la médecine.

Quelques tendances influençant l'adoption de la fusion sur lit de poudre de titane :

• La baisse des coûts des systèmes les rend plus abordables
• Le post-traitement automatisé favorise la répétabilité
• Techniques de fabrication additive à grande échelle (BAAM) pour les grandes structures en titane
• Nouveaux alliages spécialisés présentant une résistance supérieure au fluage et à la fatigue
• Simulation et IA pour la prédiction des défauts, l'optimisation des processus, l'assurance qualité
• Impression hybride combinant l'additif, le soustractif, l'inspection, l'automatisation
• Maturité de la chaîne d'approvisionnement garantissant la traçabilité des matériaux et les normes de processus

Alors que les pièces AM en titane obtiennent des certifications en matière de sécurité aérienne et médicale, l'impression 3D est sur le point de transformer les industries à forte densité de stocks comme l'aérospatiale grâce à des modèles de fabrication distribuée. Les entreprises collaborent tout au long de la chaîne de valeur pour intégrer des conceptions innovantes dans des applications critiques plus rapidement et à moindre coût que jamais auparavant.

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