La fabrication additive 71

De manière plus innovante, le substrat peut être élaboré par fabrication additive ou impression 3D. La fabrication additive est un procédé de mise en forme par ajout de matière. L’assemblage se fait couche par couche (allant de 10 µm à quelques millimètres suivant la technologie) et la pièce finale doit être frittée ou non suivant la technique choisie. Cette technologie offre des possibilités qui vont au-delà des autres techniques car elle permet de réaliser des pièces de forme complexe. La fabrication additive de la céramique intéresse de nombreux domaines comme la joaillerie, le médical ou bien l’industrie aéronautique ou électronique comme décrit sur la Figure 55. Il existe différentes technologies d’impression dont certaines utilisent de la poudre céramique seule ou bien mélangée à un liant qui est éliminé après un traitement thermique (déliantage). Nous détaillerons par la suite les différentes techniques additives actuellement utilisées, quelques-unes de ces techniques ont déjà été utilisées avec de la poudre AlN. Les techniques ont été classées suivant la forme

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initiale de la poudre à savoir solide, liquide ou en pâte. Un tableau final récapitulera les principales caractéristiques de l’ensemble des techniques (Tableau 3).

Figure 55 : Principaux marché de la fabrication additive pour la céramique [45]

a. Fabrication additive par « voie poudre »

Il existe trois types de fabrication additive utilisant comme matériau de base la poudre :  SLS : Selective Laser Sintering

 BJP : Binder Jetting / Powder Bed 3D Printing  ADM : Aerosol Deposition Method

i. SLS : Selective Laser Sintering

Le frittage laser sélectif (Selective Laser Sintering - SLS) [45] est une technique de construction par laquelle les éléments sont fabriqués par couches successives d’environ 10 µm et solidifiés par laser. Dans une enceinte préchauffée, des couches de poudre sont déposées les unes sur les autres. Après chaque couche, un faisceau laser contrôlé en puissance et suivant une trajectoire prédéfinie scanne la surface et fritte localement les particules de poudre (Figure 56). Au cours de l’exposition au laser, la température de la poudre dépasse celle de la transition vitreuse et les particules voisines s’assemblent. En se solidifiant, la strate supérieure se rattache à la couche inférieure, formant petit à petit la pièce. Le principal inconvénient de cette technologie est le choc thermique qu’engendre le processus de frittage pouvant provoquer des défauts au niveau microstructural de la pièce [46].

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Figure 56 : Schéma du principe de fonctionnement de la technologie SLS [47]

ii. BJP : Binder Jetting / Powder Bed 3D Printing

La technique d’impression par jet de liant nommée Binder Jetting Printing ou Powder

3D Printing (BJP) [45], utilise un liant projeté sur un lit de poudre pour former une pièce

solide. Un rouleau dépose une couche de poudre (de 50 à 300 µm). Le liant est ensuite déposé selon la pièce à imprimer à l’aide d’une buse. Le plateau descend ensuite pour la création d’une nouvelle couche. Une étape de frittage est nécessaire après réalisation de l’objet pour enlever toutes traces de liant et densifier la céramique. Le principal inconvénient de cette

technologie est l’empilement granulaire qui n’est pas régulier et la pièce finale obtenue est d’aspect poreux et de faible densité [48].

iii. ADM : Aerosol Deposition Method

Une nouvelle technique de déposition par aérosol froid (Aerosol Deposition Method - ADM) est apparue qui permet de faire un dépôt à température ambiante et sans frittage. Son principe repose sur la génération d’un aérosol sec d'une poudre qui est accélérée à travers une buse de projection pour se fragmenter en particules solides sur un substrat (Figure 57). Lors de la fragmentation, l'énergie cinétique est transformée en énergie de cohésion, permettant la densification du matériau sans qu'aucun frittage ne soit requis. Les couches obtenues par cette technique sont nanostructurées. L’ADM est particulière car elle permet de s’affranchir de l’étape de frittage et les poudres utilisées sont « pures », mais le comportement thermique et

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électrique doit être étudié. Actuellement les couches de céramiques déposables avec cette technique ne dépassent pas la dizaine de micromètres et les différents substrats de dépôts sont limités au métal, verre et plastique.

Figure 57 : Schéma de principe de la techni que ADM [45]

b. Fabrication additive par « voie liquide »

Il existe trois types de fabrication additive utilisant comme matériaux de base de l’encre ou bien de la pâte:

 SLA : Stereolithography Apparatus  DLP : Digital Light Processing

 Ink Jet Printing et Aerosol Jet Printing i. SLA : Stereolithography Apparatus

La stéréolitographie est la technique d’impression 3D la plus répandue. Appelée aussi SLA (Stéréolithographie Apparatus), cette technique consiste à solidifier un liquide photosensible par le biais d’un rayonnement ultraviolet. Un réservoir est rempli d’une résine photosensible chargée en céramique. Après dépôt de cette résine, un rayonnement ultraviolet va venir la balayer pour durcir couche par couche la pièce (Figure 58). Une étape de frittage est nécessaire après réalisation de l’objet, précédée par une étape de déliantage pour enlever toutes traces de résine photosensible. Cette technique apporte l’avantage de la maîtrise au micromètre de l’empilement granulaire de la pièce fabriquée.

ii. DLP : Digital Light Processing

Un autre procédé très similaire au SLA est la DLP (Digital Light Processing - DLP) qui utilise des fibres optiques et des micro-miroirs, pour projeter une image sur la surface du réservoir rempli de la résine photosensible, permettant ainsi de traiter une couche entière de la pièce. Les objets imprimés par ce procédé ont donc les mêmes caractéristiques que le SLA.

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Figure 58 : Schéma de principe de la technique SLA [49]

iii. Ink Jet Printing

Dans la technique de projection de matériau telles que les impressions jet d’encre ou jet d’aérosol (Ink Jet Printing et Aerosol Jet Printing), une ou plusieurs buses de projection se

déplacent dans le même temps à travers une zone de construction et distribuent des gouttelettes de matériaux photopolymères. Dans le cas du jet d’encre, la goutte doit avoir une distance fixe par rapport à la zone de construction alors qu’en jet d’aérosol la goutte est projetée sur une surface, il n’y a plus besoin de maîtriser la distance (Figure 59). Une étape de frittage est nécessaire après réalisation de l’objet pour le durcir. Cette technique a l’inconvénient de perdre en résolution suivant la distance de projection [50].

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Figure 59 : Schéma de principe de la technique Ink Jet Printing et Aerosol Jet Printing [45]

III.4.3. Tableau récapitulatif des techniques de fabrication additive pour la