Impression 3D en tungstène : spécifications, prix, avantages

Les poudres de tungstène et d'alliages de tungstène permettent d'imprimer des composants de haute densité avec d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques en utilisant la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Ce guide présente une vue d'ensemble de l'impression 3D de tungstène métallique.

Introduction à la Impression 3D en tungstène

Le tungstène est un matériau unique pour la fabrication additive en raison de ses caractéristiques :

• Densité exceptionnellement élevée - 19 g/cm3
• Dureté et résistance élevées
• Excellente conductivité thermique
• Point de fusion élevé de 3422°C
• Défis en matière d'usinabilité et de traitement

Principales applications des pièces imprimées en tungstène :

• Protection contre les rayonnements
• Composants pour l'aérospatiale et le sport automobile
• Appareils de radiothérapie et collimateurs
• Implants médicaux tels que les tenons dentaires
• Contrepoids et éléments d'équilibrage
• Contacts électriques et éléments chauffants

Alliages de tungstène courants pour l'AM :

• Alliages lourds de tungstène avec Ni, Fe, Cu, Co
• Carbures de tungstène
• Oxydes de tungstène dopés au potassium

Poudre de tungstène pur

La poudre de tungstène pur offre les densités les plus élevées :

Propriétés :

• Densité de 19,3 g/cm3
• Excellente protection contre les rayonnements
• Dureté élevée jusqu'à 400 Hv
• Résistance jusqu'à 1200 MPa
• Point de fusion de 3422°C
• Bonne conductivité électrique et thermique

Applications:

• Protection contre les rayonnements médicaux
• Collimateurs et appertures pour rayons X
• Contrepoids pour l'aviation
• L'amortissement des vibrations dans le sport automobile
• Contacts électriques et appareils de chauffage

Fournisseurs: TRU Group, Buffalo Tungsten, Midwest Tungsten

Tungstène - Alliages lourds

Les alliages lourds de tungstène avec le nickel, le fer et le cuivre offrent un équilibre idéal entre densité, résistance et ductilité :

Notes communes :

• WNiFe (90W-7Ni-3Fe)
• WNiCu (90W-6Ni-4Cu)
• WNi (90W-10Ni)

Propriétés :

• Densité de 17-18 g/cm3
• Résistance jusqu'à 1 GPa
• Bonne résistance à la corrosion et à l'usure
• Résistance à haute température

Applications :

• Composants pour l'automobile et le sport automobile
• Systèmes aérospatiaux et de défense
• Poids amortisseurs de vibrations
• Protection contre les rayonnements
• Implants médicaux tels que les tenons dentaires

Fournisseurs : Sandvik, Groupe TRU, Nanosteel

Carbures de tungstène

Les poudres de carbure de tungstène impriment des pièces extrêmement résistantes à l'usure :

Les types

• Métaux durs WC-Co avec 6-15% de cobalt
• Carbures cémentés WC-Ni
• Cermets WC-CoCr

Propriétés

• Dureté jusqu'à 1500 HV
• Résistance à la compression supérieure à 5 GPa
• Module d'Young élevé
• Excellente résistance à l'abrasion et à l'érosion

Applications

• Outils de coupe et forets
• Pièces d'usure et joints
• Composants de blindage balistique
• Outils de formage et d'emboutissage des métaux

Fournisseurs : Sandvik, Nanosteel, Buffalo Tungsten

Oxydes de tungstène dopés

Les oxydes de tungstène dopés au potassium, comme le K2W4O13, présentent des propriétés électriques uniques :

Caractéristiques

• Comportement semi-conducteur
• Conductivité électrique accordable avec les niveaux de dopage
• Densité élevée jusqu'à 9 g/cm3
• Grande stabilité aux rayonnements

Applications

• Électronique et composants électriques
• Électrodes, contacts et résistances
• Générateurs thermoélectriques
• Détecteurs de rayonnements

Fournisseurs : Inframat Advanced Materials

Comparaison des propriétés des matériaux

Méthodes de production de la poudre de tungstène

1. Réduction de l'hydrogène

• Procédé le plus courant et le plus économique
• Oxyde de tungstène réduit par l'hydrogène
• Morphologie irrégulière de la poudre

2. Sphéroïdisation du plasma

• Améliore la forme et la fluidité de la poudre
• Après réduction par l'hydrogène
• Fournit une grande pureté

3. Atomisation par plasma

• Sphéricité et fluidité supérieures de la poudre
• Contrôle de la distribution de la taille des particules
• Moins d'absorption d'oxygène que l'atomisation du gaz

4. Synthèse chimique en phase vapeur

• Poudres de tungstène ultrafines à l'échelle nanométrique
• Grande pureté avec des particules de petite taille
• Utilisé pour les poudres d'oxyde de tungstène

Technologie d'impression pour le tungstène

Fusion laser sur lit de poudre (LPBF)

• Lasers à fibre haute puissance > 400W
• Atmosphère inerte d'argon
• Le contrôle précis du bassin de fusion est essentiel

Fusion par faisceau d'électrons (EBM)

• Faisceau d'électrons puissant > 3kW
• Environnement à vide poussé
• Plus adapté aux matériaux très denses

Jetting de liant

• Liant adhésif utilisé pour joindre sélectivement des poudres
• Le post-traitement est nécessaire pour obtenir une densité maximale
• Résistance des pièces inférieure à celle du LPBF et de l'EBM

Le LPBF et l'EBM permettent d'imprimer des composants en tungstène de haute densité.

Spécifications techniques

Spécifications typiques de la poudre de tungstène pour l'AM :

Le contrôle des caractéristiques des poudres, telles que la distribution de la taille des particules et la morphologie, est essentiel pour les impressions à haute densité.

Développement du processus d'impression

Optimisation des paramètres du procédé LPBF pour le tungstène :

• Préchauffage pour contrôler la fissuration - typ. 100-150°C
• Puissance laser élevée > 400 W avec contrôle précis
• Faible épaisseur de la couche (20-30μm)
• Des stratégies de balayage pour minimiser le stress
• Refroidissement contrôlé après l'impression

Pour l'EBM :

• Chauffage à >600°C pour fritter la poudre
• Courant de faisceau élevé avec une taille de point réduite
• Vitesses de balayage plus lentes pour une fusion complète
• Minimiser les gradients thermiques

Des essais sont nécessaires pour caractériser les propriétés.

Fournisseurs et prix

• Le tungstène pur coûte ~$350 à $850 par kg.
• Les alliages lourds coûtent ~$450 à $1000 par kg
• Oxydes dopés jusqu'à $1500 par kg

Le prix dépend de la pureté, de la morphologie, de la qualité de la poudre et du volume de la commande.

Post-traitement

Étapes typiques du post-traitement des pièces AM en tungstène :

• Enlèvement du support par électroérosion ou jet d'eau
• Pressage isostatique à chaud pour éliminer les vides
• Infiltration avec des alliages à faible fusion
• Usinage pour améliorer l'état de surface
• Raccordement à d'autres composants si nécessaire

Un post-traitement adéquat est essentiel pour obtenir la qualité finale des pièces.

Applications des composants en tungstène imprimé

Aérospatiale: Aubes de turbines, composants de satellites, contrepoids

Automobile: Poids d'équilibrage, pièces d'amortissement des vibrations

Médical: Protection contre les rayonnements, collimateurs, implants dentaires

Électronique: Dissipateurs thermiques, contacts électriques, résistances

Défense: Protection contre les radiations, protection balistique

Les composants en tungstène imprimé permettent d'améliorer les performances des applications exigeantes dans tous les secteurs.

Avantages et inconvénients de Tungsten AM

Avantages

• Densité élevée pour le blindage contre les radiations
• Excellente résistance et dureté
• Bonnes propriétés thermiques et électriques
• Géométries personnalisées
• Consolidation de plusieurs pièces

Inconvénients

• Difficile et coûteux à traiter
• Matériau fragile nécessitant des supports
• Faible ductilité et ténacité à la rupture
• Nécessite un équipement spécialisé

Résolution des problèmes d'impression

FAQ

Q : Quelle est la taille typique des particules utilisées pour la poudre d'impression au tungstène ?

R : 15-45 microns est une valeur courante, avec un contrôle étroit de la distribution de la taille des particules autour de 20-35 microns.

Q : Quel niveau de porosité peut-on attendre des pièces imprimées en tungstène ?

R : Une porosité inférieure à 1% est généralement obtenue grâce à l'optimisation du processus et au pressage isostatique à chaud.

Q : Quels sont les alliages qui offrent un bon équilibre entre densité et propriétés mécaniques ?

R : Les alliages lourds de tungstène avec 6-10% Ni, Fe et Cu offrent une densité élevée avec une bonne ductilité et une bonne résistance à la rupture.

Q : Quel traitement ultérieur est nécessaire pour les pièces imprimées en tungstène ?

R : Le retrait du support, le pressage isostatique à chaud, l'infiltration et l'usinage sont des processus post-impression couramment utilisés.

Q : Quelles sont les températures de préchauffage utilisées ?

R : Pour le LPBF, un préchauffage jusqu'à 150°C est courant pour réduire les contraintes résiduelles et la fissuration.

Q : Quelles sont les précautions à prendre lors de la manipulation de la poudre de tungstène ?

R : Utiliser un EPI approprié, éviter l'inhalation et suivre les procédures de manipulation des poudres recommandées par le fournisseur.

en savoir plus sur les procédés d'impression 3D

Q : Quelles sont les normes utilisées pour qualifier la poudre d'impression au tungstène ?

A : Les normes ASTM B809, ASTM F3049 et MPIF 46 couvrent l'analyse chimique, l'échantillonnage et les essais.

Conclusion

Le tungstène et ses alliages permettent la fabrication additive de composants de haute densité dotés d'une rigidité, d'une résistance, d'une dureté et de propriétés thermiques inégalées grâce à des procédés d'impression 3D avancés tels que le LPBF et l'EBM. Grâce à son point de fusion très élevé, à sa densité et à ses capacités de blocage des radiations, les composants imprimés en tungstène trouvent des applications dans les domaines de l'aérospatiale, du sport automobile, de la médecine, de la défense et de l'électronique. Cependant, les exigences en matière d'imprimabilité et de post-traitement nécessitent un contrôle rigoureux du processus et une optimisation des paramètres pour obtenir une densification complète et des propriétés matérielles idéales. Au fur et à mesure que l'expertise et l'expérience de l'impression du tungstène se développent, ses avantages uniques peuvent être exploités pour fabriquer des composants de haute performance dont les capacités dépassent les limites de la fabrication traditionnelle.