Matériaux métal 3DEXPERIENCE Make

Métal

Découvrez ce qu'est le Métal et les applications de ce matériau de fabrication dans l'industrie.

Introduction au métal

Les hommes fabriquent des produits en métal depuis des millénaires. Des géologues ont trouvé certains objets datant de bien avant l’ère commune.

Les métaux représentent des matériaux durs, opaques et brillants fournissant une bonne conductivité électrique et thermique. Même si environ 91 des 118 éléments du tableau périodique sont des métaux, ils peuvent être des éléments, des composés ou des alliages. Ils s’avèrent généralement malléables et peuvent être formés par martèlement ou pressage sans se briser ou se fissurer. Les métaux sont également fusibles, c’est-à-dire qu’ils peuvent être fusionnés ou fondus, et présentent une ductilité qui permet de les étirer en un fil fin. Par conséquent, les métaux font partie intégrante de notre vie et s’emploient dans bien des domaines. Ils se retrouvent dans la construction des tours, des ponts, des automobiles, des appareils ménagers, de la joaillerie, des outils, de la tuyauterie, des chemins de fer, etc.

La métallurgie joue un rôle moteur pour l’avancée technique du travail des métaux. Elle vise à appliquer la science liée aux métaux à l’usage le plus approprié, par exemple, dans les produits de grande consommation et manufacturés, le transport, les chemins de fer, l’aéronautique, la marine et beaucoup d’autres domaines. De la même manière que la technologie de l’impression 3D progresse, le choix des métaux augmente également. Nous utilisons de nombreux procédés pour former le métal, notamment la fonte, le forgeage, le laminage, le placage laser, l’extrusion, le frittage, l’usinage, la fabrication et l’impression 3D.

Matériaux de métal génériques

Métal d'aluminium

L’aluminium peut se décrire comme un métal ductile, non magnétique, mou, de couleur blanc argenté dans le groupe bore des éléments chimiques. Les propriétés remarquables de l’aluminium sont sa faible densité et sa résistance à la corrosion grâce au phénomène de passivation. Il est le métal le plus couramment fabriqué après le fer, avec une production mondiale de 31,9 millions de tonnes. L’aluminium et ses alliages demeurent essentiels pour l’industrie aérospatiale, du transport et de la construction. En outre, l’aluminium se retrouve communément dans les emballages, les contenants des aliments et boissons, les articles ménagers, les poteaux d’éclairage public, les mâts de bateau, les lignes de transmission électrique, et beaucoup d’autres applications.

Métal de Cobalt

Le cobalt est un élément présent dans la croûte terrestre sous une forme chimiquement combinée uniquement, à l’exception de petits dépôts trouvés en alliages de fer météorique naturel. L’élément libre est un métal dur, brillant, de couleur gris argenté. Les hommes emploient les pigments bleus à base de cobalt pour les bijoux et les peintures, et pour donner une teinte bleue distinctive au verre. L’application principale du cobalt reste la fabrication d’alliages très performants utilisés pour leurs propriétés magnétiques, résistant à l’usure et très solide. En outre, l’industrie exploite le cobalt dans la production de batteries, catalyseurs, pigments et colorants, et dans les isotopes radioactifs.

Métal de fer forgé

Le fer forgé est un groupe d’alliages de fer et carbone avec une teneur en carbone supérieure à 2 %, qui demeure avant tout avantageux pour sa température de fusion basse. Même si le fer forgé tend à être cassant, son point de fusion faible, sa bonne fluidité, sa coulabilité, son excellente usinabilité et sa résistance à la déformation et à l’usure, en fait un matériau technique utilisé dans un large éventail d’applications. On le retrouve notamment dans les tuyaux, les pièces structurelles et les pièces industrielles de machines et automobiles. Il est également résistant à la destruction et à la fragilisation par oxydation. Parmi les nombreux éléments d’alliage, nous identifions : le carbone, le silicone, le manganèse, le chrome, le molybdène, le titane, le vanadium, le nickel et le cuivre.

Métal d'acier moulé

L’acier moulé peut se définir comme un acier produit par fonte de fer forgé dans des fournaises à l’aide de charbon. Il est similaire au fer forgé avec pour différence principale sa teneur en carbone. L’acier moulé contient généralement entre 0,1 et 0,5 % de carbone par rapport au fer forgé, qui en possède habituellement plus de 2 %. L’acier coulé présente un plus grand retrait que le fer forgé et reste plus difficile à couler. Son retrait l’expose plus aux contraintes, il nécessite une inspection complète tout au long du processus de coulage ainsi qu’une utilisation plus importante des ressources.


Métal d'alliages ferreux

Les alliages ferreux, également appelés ferro-alliages, sont des alliages à base de fer avec une proportion élevée d’un ou plusieurs autres éléments comme le manganèse, l’aluminium ou le silicone. Nous les retrouvons dans la fabrication d’aciers et d’alliages. Le plus grand consommateur d’alliages ferreux demeure l’industrie du fer et de l’acier, qui les exploite pour leurs qualités distinctives et leurs fonctions essentielles au cours de la production.

Métal d'or

L’or est un métal précieux qui dans sa forme la plus pure apparaît brillant, de couleur jaune légèrement rougeâtre, dense, mou, malléable et ductile. Son utilisation industrielle principale est celle de connecteur électrique dans les ordinateurs et appareils électriques en raison de son énorme malléabilité, sa ductilité, sa résistance à la corrosion et à la plupart des autres réactions chimiques, et à sa conductivité électrique. L’or se trouve aussi dans la protection contre les infrarouges, la réalisation de verre coloré, la dorure en feuille et la restauration des dents. En outre, il est souvent combiné pour un usage en joaillerie. Certains sels d’or et isotopes radioactifs sont toujours employés en tant qu’anti-inflammatoires en médecine et qu’alliages dans les soins dentaires.

Métal d'acier H

L’acier H est une classe d’acier européenne, spécifiquement optimisée pour les « produits plats très résistants à la traction ».

Métal d'alliages à bas point de fusion

Les alliages à bas point de fusion, aussi appelés alliages fusibles, sont facilement fusibles à des températures basses. On recourt à des alliages à bas point de fusion comme réfrigérants en raison de leur stabilité sous la chaleur et parce qu’ils peuvent apporter une conductivité thermique beaucoup plus élevée que la plupart des réfrigérants ; en particulier avec les alliages réalisés avec un métal à conductivité très importante comme l’indium ou le sodium. Le refroidissement des réacteurs nucléaires et les extincteurs automatiques y font également appel.

Métal de molybdène

Le molybdène est un élément chimique d’apparence gris métallique. Il n’existe pas à l’état libre, mais dans différents états d’oxydation dans les minéraux et possède le sixième point de fusion le plus élevé de tous les éléments. Comme il forme rapidement des carbures durs et stables dans les alliages, 80 % de la production mondiale de molybdène se trouve dans les alliages d’acier, qui incluent les alliages à haute résistance et les superalliages. Son application principale demeure dans : l’acier structurel, l’acier inoxydable, les produits chimiques, les aciers d’outillage et rapides, le fer forgé, le molybdène fondamental et les superalliages. Le molybdène, dans son état élémentaire pur, peut également servir en tant que fertilisant ou analyseur de pollution dans les centrales électriques et dans l’imagerie médicale et les mammographies.

Métal de niobium

Le niobium, anciennement connu sous le terme colombium, est un métal de transition ductile, mou, gris, souvent présent dans les minéraux pyrochlore et columbite. Le Brésil est le premier producteur de niobium et de ferroniobium, un alliage de niobium et fer qui possède une teneur en niobium de 60 à 70 %. Il se retrouve le plus souvent dans les alliages, en particulier dans l’acier spécial comme celui utilisé dans les gazoducs. Bien que ces alliages contiennent un maximum de 0,1 % de niobium, ce petit pourcentage améliore la résistance de l’acier. Il s’agit également d’un superalliage important pour les moteurs d’avion à réaction et de fusée en raison de la stabilité de sa température. En outre, le niobium peut s’employer dans différents alliages supraconducteurs qui contiennent du titane et de l’étain. Ils s’utilisent aussi dans les aimants supraconducteurs des scanners IRM (Imagerie par résonance magnétique). Les autres applications du niobium incluent le soudage, l’industrie nucléaire, l’électronique, l’optique, le numismatique et la joaillerie.
 

Métal de nickel

Le nickel se décrit comme un métal brillant blanc argenté avec une teinte légèrement dorée. Il apparaît dur et ductile. En grande partie un métal d’alliage, l’utilisation principale du nickel s’effectue dans les aciers au nickel et les fers forgés au nickel, pour sa résistance à la traction et sa dureté ainsi que sa limite élastique. Il s’exploite en tant qu’alliage dans les laitons et bronzes au nickel avec le cuivre, le chrome, l’aluminium, le plomb, le cobalt, l’argent et l’or. Les combinaisons de nickel répandues incluent l’Inconel, l’Incoloy, le Monel et le Nimonic. Utilisé dans la monnaie, de tout temps, le nickel s’emploie également comme alliage d’acier inoxydable. Par exemple vous en trouverez dans les biens de consommation courants et industriels : les aimants d’alnico, les batteries rechargeables, les cordes de guitare électrique, les capsules de microphone, le placage sur les accessoires de plomberie. Nous le retrouvons aussi dans les alliages spéciaux : le permalloy, l’élinvar et l’invar. On l’utilise enfin pour le placage et la teinte verte dans le verre.

Les alliages non ferreux

Les alliages non ferreux sont des alliages qui ne comportent pas de fer dans des quantités notables. Ils se trouvent généralement plus onéreux que les alliages ferreux (fer). Leur poids léger, leur conductivité supérieure, leur propriété non magnétique ou leur résistance à la corrosion en font un métal apprécié. Les métaux non ferreux les plus importants incluent : l’aluminium, le cuivre, le plomb, le nickel, l’étain, le titane et le zinc et des alliages comme le laiton. Les métaux précieux tels que l’or, l’argent et le platine, et les métaux exotiques ou rares, le cobalt, le mercure, le tungstène, le béryllium, le bismuth, le cérium, le cadmium, le niobium, l’indium, le gallium, le germanium, le lithium, le sélénium, le tantale, le tellure, le vanadium et le zirconium sont également non ferreux.

Métal de platine

Le platine est un métal de transition dense, malléable, ductile, hautement non réactif, précieux, blanc argenté. Sa rareté et son utilisation dans des applications essentielles en font un métal précieux onéreux. Le platine représente l’un des métaux les moins réactifs et offre une résistance remarquable à la corrosion, même à des températures importantes. Il est donc classé comme métal noble. Les principaux usages recourant à du platine incluent les pots catalytiques, l’équipement de laboratoire, les contacts électriques et les électrodes, les thermomètres à résistance de platine, l’équipement dentaire et la joaillerie.

Métal d'argent

L’argent est un métal de transition mou, blanc, brillant qui présente la conductivité électrique, la conductivité thermique et la réflectivité les plus élevées parmi tous les métaux. Même s’il apparaît plus abondant que l’or, on le classe de longue date comme métal précieux. Utilisé historiquement dans la monnaie, l’argent s’emploie aujourd’hui pour fabriquer des pièces de monnaie-lingots. En outre, l’argent est appliqué aux panneaux solaires, à la filtration de l’eau, à la joaillerie, aux ornements, à la vaisselle et en tant que moyen d’investissement. L’industrie l’exploite pour produire des contacts électriques et des conducteurs, des miroirs spécialisés, des revêtements de fenêtre, et pour la catalyse des réactions chimiques. On retrouve aussi l’argent dans la photographie, les rayons X, les désinfectants, les cathéters, et d’autres outils médicaux.

Métal d'acier inoxydable

L’acier inoxydable, également appelé acier inox, est un alliage de métal avec un minimum de 10,5 % de teneur de chrome par masse. La propriété la plus remarquable de l’acier inoxydable reste sa résistance à la corrosion. L’alliage est laminé en bobines, feuilles, plaques, barres, fils et tubes avant d’être appliqué dans la production d’équipement de manipulation des aliments, de batteries de cuisine, de couverts, d’instruments chirurgicaux, d’équipement industriel, de gros appareils, de composants d’architecture, d’armes à feu, d’impression 3D, et de diverses marchandises.
 

Métal d'acier

L’acier est un alliage de fer et de carbone et d’autres éléments. C’est un pilier majeur utilisé dans les bâtiments, les infrastructures, les outils, les bateaux, les automobiles, les machines, les appareils et les armes grâce à sa résistance à la traction élevée et son faible coût. Il existe plusieurs catégories d’acier, notamment l’acier long, l’acier au carbone plat, l’acier autopatentable (CORTEN), l’acier inoxydable et l’acier non contaminé.

Métal de tantale

Le tantale, autrefois appelé tantalium, est un métal de transition rare, dur, bleu-gris, brillant, qui demeure hautement résistant à la corrosion. Grâce à son inertie chimique, il représente une substance précieuse pour l’outillage de laboratoire et un substitut du platine. Aujourd’hui, il s’emploie principalement dans les condensateurs au tantale dans l’équipement électronique comme les téléphones mobiles, les lecteurs DVD, les consoles de jeux vidéo et les ordinateurs. On peut le retrouver pour produire des alliages et des superalliages pour les composants de moteurs d’avion à réaction, l’équipement de procédé chimique, les réacteurs nucléaires et les pièces de missile.

Métal de titane

Le titane est un métal de transition brillant de couleur argentée, de faible densité et de résistance élevée. Sa résistance à la corrosion dans l’eau de mer, l’eau régale et le chlorure en fait un des matériaux les plus solides, mais coûteux, utilisés dans la métallurgie. La production des pigments, des additifs et des revêtements emploie la grande majorité du minerai, une fois raffiné en dioxyde de titane. On y recourt comme pigment dans la peinture intensément blanche, et dans le papier, le dentifrice, le ciment, les pierres précieuses et les plastiques. En outre, les industries de l’aérospatiale et de la marine l’exploitent dans les alliages de titane en raison de leur solidité et de leur résistance. Ces propriétés en font des matériaux adaptés pour l’utilisation dans les avions, le blindage, les navires militaires, les vaisseaux spatiaux et les missiles. Les applications industrielles du titane incluent les tuyaux soudés et l’équipement d’exploitation (échangeurs de chaleur, réservoirs, cuves de traitement, vannes) dans l’industrie chimique et pétrochimique grâce à sa résistance supérieure à la corrosion. L’industrie papetière, le soudage par ultrasons, le soudage à la vague et la métallisation par pulvérisation de cibles font aussi appel au titane. En outre, le titane apparaît avantageux dans le cadre de course automobile et de moto pour sa légèreté, sa résistance élevée et sa rigidité. Les biens de consommation produits avec le titane comprennent les articles de sport, les lunettes et la joaillerie. Les mises en application spécialisées du titane incluent les industries médicales et de stockage des déchets nucléaires.

Métal d'acier d'outillage

L’acier d’outillage se rapporte à différents aciers de carbone et d’alliage particulièrement bien appropriés à la fabrication d’outils. Leur adéquation repose sur leur dureté distinctive, leur résistance à l’abrasion et à la déformation, ainsi que sur leur capacité à maintenir une arête tranchante à des températures élevées. Par conséquent, les aciers d’outillage sont adaptés à un usage de formage d’autres matériaux, par exemple pour la coupe, le pressage, l’extrusion et la frappe des métaux, etc. La production de moules d’injection les emploie aussi fréquemment pour leur résistance à l’abrasion. Cela constitue un critère important pour un moule utilisé pour fabriquer des centaines de milliers de moulages d’un produit ou d’une pièce.

Métal de tungstène

Le tungstène est un élément libre et un métal rare présent à l’état naturel sur Terre, quasi exclusivement dans les composés chimiques. La robustesse du tungstène est en tout point remarquable ; il présente le point de fusion le plus haut de tous les éléments, le deuxième point d’ébullition le plus élevé et apparaît 19,3 fois plus dense que l’eau. Le tungstène s’utilise surtout dans la fabrication des matériaux durs, plus particulièrement du carbure de tungstène. On le retrouve aussi dans les alliages et l’acier et dans la production de produits électroniques, de nanofils et d’armement, pour des applications chimiques, et dans des applications de niche comme les lests, les contrepoids et les ballasts dans les yachts et les avions, ainsi que dans les voitures de course de Formule 1 et de NASCAR.

Métal de zinc

Le zinc est un élément chimique qui présente un seul état d’oxydation normal et qui est de couleur blanche bleuâtre brillante. On le classe comme métal diamagnétique et est dur et cassant à la plupart des températures, mais devient malléable entre 100 et 150 °C. Le zinc est également un bon conducteur d’électricité. L’une de ses applications majeures est le placage de fer (galvanisation à chaud) en raison de sa résistance à la corrosion. L’industrie l’emploie aussi dans les batteries électriques, les petites fontes non structurelles et les alliages tels que le laiton. Le zinc est un alliage commun de laiton et est produit en tant que composé industriel. De même, il s’agit d’un minéral essentiel pour la santé des humains, des animaux, des plantes et des microorganismes.

Métal de zirconium

Le zirconium est un métal de transition brillant, gris-blanc, mou, ductile et malléable qui apparaît solide à température ambiante, bien qu’il soit dur et cassant à des puretés inférieures. Il est très résistant à la corrosion par les alcalis, les acides, l’eau de mer et d’autres agents. Surtout exploité en tant que réfractaire et opacifiant, de faibles quantités de zirconium sont également utilisées comme agent d’alliage pour sa grande résistance à la corrosion. Le zirconium s’emploie directement dans les applications à haute température et dans les applications biomédicales comme composé. En qualité de métal, il est présent dans l’industrie nucléaire et l’industrie aéronautique et aérospatiale. L’imagerie médicale fait aussi appel à ses isotopes.

Matériaux de métal pour les procédés d’impression 3D

Les métaux destinés au procédé de fabrication d’impression 3D présentent des restrictions comparées aux métaux standards.

L’aluminium s’imprime en 3D avec de la poudre d’aluminium agglomérée par frittage par laser pour produire des pièces métalliques d’utilisation finale qui sont aussi bonnes que des modèles usinés. Il s’emploie en outre pour des pièces entièrement fonctionnelles, des pièces de rechange et de la joaillerie. Les deux techniques d’impression 3D principales pour l’aluminium sont le frittage laser direct de métal (DMLS, Direct Metal Laser Sintering) et la fusion sélective par laser (SLM, Select Laser Melting). Par rapport à l’aluminium laminé brillant classique, l’aluminium imprimé en 3D est un peu plus gris et plus mat avec une surface légèrement plus irrégulière et moins définie. Les modèles en aluminium restent très solides, précis et peuvent posséder des composants de petite taille pouvant aller jusqu’à 0,25 mm.

Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, fréquemment utilisé dans les instruments de musique en raison de ses propriétés acoustiques et de sa ductibilité. Il s’emploie dans une large gamme d’applications qui recherchent un substitut économique aux métaux précieux. Dans l’impression 3D, le laiton est souvent présent pour produire des miniatures, sculptures, joailleries détaillées ou des tests de préimpression (pour l’ajustage de la forme avant production avec de l’or ou de l’argent). Le bronze est une alternative plus abordable à l’or. L’impression 3D à la cire et le moulage à la cire perdue sont des techniques utilisées pour créer des conceptions en laiton. Il peut être recouvert d’une finition plaqué or jaune ou plaqué or rouge naturelle, ou d’un polissage plaqué rhodium, plaqué chrome ou plaqué noir.

Le bronze, un métal pour des impressions 3D détaillés

Le bronze est un alliage à base de cuivre et constitue un matériau abordable et solide pour l’impression de métal. Dans la fabrication additive, le bronze s’emploie généralement pour produire des miniatures, sculptures, joailleries détaillées ou des tests de préimpression (pour l’ajustage de la forme avant production avec de l’or ou de l’argent). L’impression 3D à la cire et le moulage à la cire perdue sont des techniques utilisées pour créer des conceptions en bronze. Il peut s’enduire d’un PU poli ou d’un revêtement PU naturel, ou laissé naturel et non enduit.

le cuivre est un métal mou, malléable et ductile avec une conductivité thermique et électrique très élevée. Connu pour sa couleur rougeâtre et son ternissement verdâtre, c’est un matériau abordable pour les modèles d’impression 3D. Généralement, le cuivre s’emploie dans l’impression 3D pour produire des petits modèles décoratifs comme des pièces, médailles, connecteurs ou statues. L’impression 3D à la cire et le moulage à la cire perdue sont des techniques utilisées pour créer des conceptions en cuivre. Il est poli après l’impression 3D, mais il est très enclin à ternir.

Le métal industriel est adapté pour les prototypes et les pièces finales de différents métaux et alliages. Les métaux industriels sont frittés au laser à partir de poudre métallique et peuvent inclure l’aluminium, l’acier inoxydable, le bronze et le chrome cobalt. Il est également approprié pour les designs complexes avec des détails chargés, les pièces mécaniques et pour les pièces mobiles et assemblées. L’inconvénient est que les cavités dans une conception nécessitent de recourir à des trous d’évacuation.

L'or, un métal pour le moulage en cire perdue

L’or est surtout un matériau adapté pour l’impression de joaillerie en or solide, 14k ou 18k mélangé à un alliage à des fins de durabilité. L’industrie utilise l’impression 3D à la cire et le moulage à la cire perdue pour produire des modèles en or. L’or 14K et 18K peut se fabriquer en 3D en trois couleurs : jaune brillant, rouge et blanc.

L’acier inoxydable fortement détaillé offre un niveau important de détail et de résistance aux modèles confectionnés en additif 3D, ce qui en fait un élément approprié pour les figurines miniatures, la joaillerie, les boulons, les chaînes porte-clés, etc. La technique d’impression 3D utilisée avec l’acier inoxydable fortement détaillé implique une imprimante à jet d’encre de précision qui lie les couches de grains ultrafins de poudre d’acier inoxydable ensemble. On peut lui appliquer une finition matte, satinée ou brillante.

Les modèles en argent sterling imprimés en 3D sont composés à 92,5 % d’argent pur et à 7,5 % d’un autre métal, généralement du cuivre. L’argent est très malléable et présente une conductivité électrique et thermique très élevée. L’argent sterling est un alliage standard dans la fabrication de joaillerie, qui constitue l’usage classique pour les procédés d’additif 3D. Les anneaux, boucles d’oreilles et bracelets font partie des objets de joaillerie imprimés en 3D les plus courants. L’impression 3D à la cire et le moulage à la cire perdue sont des techniques utilisées pour produire des modèles en argent sterling. Les biens en argent sterling imprimés en 3D peuvent avoir une finition brillante, éclatante, antique, sablée ou satinée.

L'acier est le matériau le plus abordable pour l'impression 3D métal


Les modèles en acier imprimés en 3D sont fabriqués en poudre d’acier infusée avec du bronze. L’acier est la forme la plus abordable d’impression de métal. Il est très solide et adapté aux très grands objets. Il s’emploie le plus souvent pour produire des pièces entièrement fonctionnelles, des pièces de rechange et de la joaillerie. La technique d’impression 3D utilisée avec l’acier implique la liaison de couches de poudre d’acier ensemble. Les choix de finition incluent : sans polissage, polissage naturel, polissage plaqué-or, placage, or sans polissage, polissage noir, noir sans polissage ou polissage brun.

Les modèles en titane imprimés en 3D sont confectionnés en poudre de titane agrégée par frittage au laser pour produire des pièces finales d’aussi bonne qualité que des modèles usinés. Le titane imprimé en 3D apparaît un peu plus gris et plus mat avec une surface légèrement plus irrégulière et moins définie par rapport au titane laminé brillant classique. Ces pièces apparaissent très solides, précises et peuvent avoir une taille pouvant aller jusqu’à 0,25 mm. Elles sont idéales pour l’impression 3D des pièces entièrement fonctionnelles, des pièces de rechange et de la joaillerie. Les deux techniques d’impression 3D principales pour le titane sont le frittage laser direct de métal (DMLS, Direct Metal Laser Sintering) et la fusion sélective par laser (SLM, Select Laser Melting).

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