Fabrication additive
Acier en acier conçu par l’IA et imprimé en 3D : ultra-résistant et anti-rouille
L’acier est l’un des matériaux clés de la civilisation moderne. Sa durabilité, sa ductilité et sa grande résistance le rendent essentiel dans presque tous les aspects de notre vie : fabrication, transport, construction et énergie.
Intéressant, l’acier est entièrement recyclable, sans perdre sa qualité, sa résistance ou son intégrité structurelle, ce qui en fait un élément critique pour le développement économique durable.
En 2025, le monde a produit un total de 1 849,4 Mt (millions de tonnes) d’acier brut, en baisse par rapport à 1 882,6 Mt l’année précédente. Les données montrent que la Chine est le premier producteur d’acier, suivie de près par l’Inde et les États-Unis.
L’industrie de l’acier emploie des millions de personnes dans le monde et constitue un moteur économique clé.
Mais qu’est-ce exactement ? L’acier est un alliage, un mélange de deux ou plusieurs éléments. Plus précisément, l’acier est composé d’un élément métallique fer (Fe) et de petites quantités d’éléments non métalliques carbone (C) ainsi que d’autres éléments tels que le manganèse (Mn), le phosphore (P), le soufre (S), le silicium (Si), l’oxygène (O), le chrome (Cr) ou le nickel (Ni) pour améliorer la résistance, la ténacité et la résistance à la corrosion du matériau.
Il n’y a donc pas un seul type d’acier ; il existe des centaines de nuances d’acier avec des propriétés chimiques et physiques différentes.
En ce qui concerne la production d’acier, les méthodes de four à coke-basique à oxygène (BF-BOF) et de four à arc électrique (EAF) sont généralement utilisées. La principale différence entre les deux réside dans le type de matières premières qu’ils consomment.
La méthode BF-BOF utilise principalement du minerai de fer, du charbon et de l’acier recyclé, tandis que la méthode EAF utilise principalement de l’acier recyclé et de l’électricité.
Alors que l’industrie de l’acier a fait des efforts importants pour réduire la pollution environnementale au cours des dernières décennies, la méthode dominante de production d’acier à partir de minerai de fer repose toujours sur les combustibles fossiles en tant qu’agents réducteurs. Cependant, la mise en œuvre de nouvelles technologies dans des installations pilotes et à grande échelle aide à passer à une production d’acier à faible teneur en carbone.
De plus, les scientifiques travaillent en permanence à la création d’aciers plus respectueux de l’environnement avec des propriétés bien supérieures à celles de l’acier existant.
Par exemple, l’acier super-résistant, souvent classé comme acier à haute résistance avancée (AHSS) ou acier à ultra-haute résistance (UHSS), présente des limites d’élasticité supérieures à 550-1000 MPa. La recherche sur ce type d’acier est motivée par le besoin de matériaux plus légers, plus sûrs et plus durables pour les industries qui cherchent à améliorer leur efficacité et à réduire leur empreinte carbone.
Pour réaliser ce type d’acier, les scientifiques ont tendance à manipuler la structure nanométrique de l’alliage.
Il y a environ une décennie, une équipe de l’Université des sciences et de la technologie de Pohang a inventé un alliage d’acier1 qui avait le même rapport résistance/poids que le titane, un métal super-résistant utilisé pour construire des missiles, des moteurs d’avion, des véhicules spatiaux et des implants médicaux, mais pour un dixième du coût.
Puis, il y a plusieurs années, des scientifiques des laboratoires nationaux de Lawrence Berkeley et de l’Université de Hong Kong ont créé un super-acier en “activant le durcissement par delamination couplé avec la plasticité induite par transformation“.
Les scientifiques travaillent également sur l’acier anti-rouille, qui peut aider à prévenir les défaillances structurelles et à assurer la durabilité dans des environnements à forte humidité.
C’est parce que l’acier est très susceptible à la rouille. Lorsqu’il est exposé à l’humidité et à l’oxygène, il commence à revenir à sa forme originale, c’est-à-dire l’oxyde de fer. Des revêtements protecteurs différents, tels que la peinture ou la galvanisation au zinc, sont utilisés pour surmonter ce problème. Le chrome et le nickel sont également utilisés pour créer de l’acier inoxydable, qui est beaucoup plus résistant à la corrosion, bien qu’il puisse encore rouiller dans des conditions spécifiques et sévères.
Les scientifiques ont maintenant développé un nouvel alliage à l’aide de l’intelligence artificielle (IA) qui non seulement augmente la résistance du métal de 30 % mais également double sa ductilité et le rend anti-rouille. De plus, ce super-acier peut être imprimé en 3D.
Fabrication additive en tant que facteur de changement pour l’innovation de l’acier
La fabrication additive (AM), souvent appelée impression 3D, a gagné en popularité au cours de la dernière décennie. Elle est passée d’un outil de prototypage de niche à une méthode de production mainstream, activement utilisée pour des pièces critiques dans les secteurs aérospatial, automobile et médical.
Dans ce processus, un objet 3D est construit en ajoutant du matériau couche par couche en fonction d’un modèle numérique. Il utilise une gamme de matériaux, notamment des plastiques, des polymères et des métaux.
Pour les chercheurs et les entreprises, le plus grand avantage de l’impression 3D est la rapidité. La prototypage rapide réduit les coûts, accélère les cycles de développement et permet l’itération.
De plus, l’impression 3D est le processus de fabrication le plus rentable pour de petites séries de production, éliminant ainsi le besoin de machines coûteuses et de techniciens expérimentés pour les exploiter. Il y a également beaucoup moins de déchets de matériaux, car la pièce est construite à partir de zéro.
Ensuite, il y a la flexibilité pour créer des pièces uniques, complexes et personnalisées à partir de plusieurs matériaux. Pendant ce temps, l’assemblage étape par étape des pièces en impression 3D permet la cohérence et une qualité supérieure.
La durabilité est un autre grand avantage de l’impression 3D. On peut développer l’ensemble du produit soi-même, en réduisant ainsi le besoin de sous-traitance.
Pour les fabricants d’acier, cette technique de fabrication réduit considérablement le temps de développement et les déchets de matériaux, tout en leur permettant d’expérimenter en interne et de réaliser des tests de prototype plus rapidement. Cela permet également aux ingénieurs de valider rapidement de nouvelles compositions d’alliages, d’optimiser les performances et de passer de la conception à la production sans avoir à recourir à des outillages traditionnels coûteux ou à des fabrications sous-traitées.
Par rapport aux technologies de fabrication traditionnelles, AMa des caractéristiques spéciales2, telles que l’accumulation couche par couche, les interactions de matériaux, les taux de refroidissement élevés et les cycles de chauffage. Ces caractéristiques entraînent une microstructure unique, y compris des grains fins, des dislocations à haute densité, une structure métallo-cellulaire et une composition de phase, qui confèrent des propriétés mécaniques remarquables aux aciers à ultra-haute résistance.
Lorsqu’il s’agit d’imprimer en 3D de l’acier à ultra-haute résistance et ductilité (UHSDS), qui présente des propriétés mécaniques exceptionnelles, il a montré une grande applicabilité dans des secteurs tels que l’aérospatiale, la fabrication automobile et le transport maritime.
Mais comme le note l’étude internationale, ses applications ingénieriques ont été sévèrement limitées en raison du besoin d’éléments d’alliage coûteux à haute teneur comme le nickel (Ni), le cobalt (Co) ou le molybdène (Mo), et d’un traitement thermique complexe, tout en présentant une mauvaise résistance à la corrosion.
L’apprentissage automatique offre une voie pour surmonter cette contrainte. Il y a quelques années, des scientifiques de la Force aérienne américaine et de l’Université du Texas A&M ont démontré le potentiel de l’impression 3D d’acier ultra-résistant3 en utilisant un laser pour fondre la poudre d’acier en place. Ils ont utilisé le modèle Eagar-Tsai pour optimiser les paramètres du laser et réduire les défauts d’impression. Les échantillons imprimés présentaient des résistances à la traction allant jusqu’à 1,4 GPa, la plus élevée jamais signalée pour un alliage imprimé en 3D, montrant que l’optimisation du processus seul peut améliorer considérablement les performances du matériau.
L’optimisation des compositions d’acier haute performance et des paramètres de traitement en utilisant l’apprentissage automatique utilise diverses approches de modélisation, telles que le modèle composition-traitement-propriétés (CPP). Le modèle CPP-ML impose cependant des exigences élevées en termes de qualité des données, que le modèle CPIP-ML atténue en intégrant des variables intermédiaires dérivées de modèles de métallurgie physique (PM), de CALPHAD et de criblage de caractéristiques physicochimiques (PF).
Comme le souligne l’étude la plus récente, la complexité multicomposant de l’UHSDS pose des défis pour les deux ML guidés par PM et l’optimisation combinée CALPHAD-ML. Les chercheurs de l’Université du Sud de la Chine et de l’Université Purdue se sont donc tournés vers la stratégie PF-ML pour développer l’UHSDS de manière économique.
Impression 3D d’un acier super-résistant qui ne rouille jamais
Publié dans le
Journal international de fabrication extrême4, les chercheurs ont construit un modèle d’apprentissage automatique “interprétable” spécifiquement pour analyser 81 caractéristiques physicochimiques des éléments.
Au lieu de laisser l’IA deviner les combinaisons, l’équipe l’a fait analyser des fonctionnalités spécifiques telles que le rayon atomique et le comportement des électrons pour créer un alliage qui est ultra-résistant, anti-rouille et imprimable en 3D.
Domaine clé
| Situation actuelle | Changement technologique | Pourquoi cela compte | Orientation de l’industrie |
|---|---|---|---|
| La production d’acier mondiale a atteint 1 849,4 Mt en 2025, dominée par la Chine et principalement motivée par une production basée sur le volume. | Déplacement vers des alliages conçus pour des applications à haute valeur spécifiques. | Fait passer l’acier d’une industrie de produits de base à un secteur de matériaux à haute marge et axé sur l’innovation. | Production et émissions |
| La production BF-BOF repose sur le minerai de fer et le charbon, ce qui fait de l’acier l’un des plus grands émetteurs de carbone de l’industrie. | Expansion des itinéraires EAF, du recyclage et des processus à faible teneur en carbone émergents pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. | Permet la décarbonation sans compromettre l’échelle ou les performances structurelles. | Paradigme de conception d’alliage |
| La découverte de matériaux repose sur une expérimentation lente et itérative et sur des modèles métallurgiques empiriques. | Les modèles PF-ML analysent 81 caractéristiques physicochimiques à l’aide de l’interprétabilité SHAP pour concevoir des alliages optimisés. | Comprime des années de R&D en une conception ciblée avec des résultats de performance prévisibles. | Architecture de fabrication |
| Les méthodes conventionnelles nécessitent des outillages fixes, des cycles de validation longs et une flexibilité de conception limitée. | La fabrication additive permet une fabrication couche par couche avec des taux de refroidissement élevés et des microstructures conçues. | Accélère l’itération, réduit les déchets de matériaux et permet des géométries et des propriétés impossibles à atteindre auparavant. | Performances du matériau |
| Une résistance élevée est généralement obtenue au détriment de la ductilité, de la résistance à la corrosion ou d’un coût d’alliage élevé. | L’UHSDS conçu par l’IA présente une LMT de ~1,7 GPa, une LEL de ~1,5 GPa et une allongement de ~15 %, ainsi qu’une résistance à la corrosion élevée. | Rompant les compromis de longue date, permettant des gains simultanés en termes de résistance, de ténacité et de durabilité. | Coût et scalabilité |
| Les aciers avancés dépendent d’éléments d’alliage coûteux (Ni, Co, Mo) et de traitements thermiques complexes. | L’alliage optimisé utilise des éléments à faible coût avec un traitement de trempe unique de 6 heures à 480°C. | Rend l’acier à ultra-haute performance et imprimable en 3D économiquement évolutif pour l’aérospatiale, la marine et la défense. |
Le matériau a été développé spécifiquement pour le processus d’impression 3D en faisant analyser au modèle comment l’alliage réagirait à celui-ci.
“Cette stratégie a dramatiquement accéléré le processus de découverte et a permis l’introduction d’une stratégie à faible coût et à processus simplifié pour la fabrication additive de l’UHSDS avec une résistance à la corrosion exceptionnelle, surmontant ainsi les limitations critiques des aciers additivement fabriqués actuels”, ont écrit les auteurs de l’étude. Pour créer un acier ultra-résistant et ductile (UHSDS), l’équipe a commencé par écran les fonctionnalités pour identifier celles qui affectent la résistance à la traction ultime (LMT), la limite d’élasticité (LEL) et l’allongement (AL) du matériau. Ensuite, ils ont utilisé l’algorithme d’explication additive de Shapley (SHAP) basé sur la théorie des jeux pour identifier les règles explicites qui régissent les effets des éléments sur ces propriétés. Ensuite, les critères d’évaluation et les résultats d’analyse ont été combinés pour identifier les éléments d’alliage qui peuvent améliorer à la fois la résistance et la ductilité. Enfin, l’équipe a utilisé le NSGA-III (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) pour optimiser le contenu d’éléments et les paramètres de traitement thermique. Un nouvel UHSDS à faible coût avec un traitement de trempe unique en une seule étape a été conçu. Grâce à son étude, l’équipe a développé une nouvelle stratégie pour la fabrication additive de l’UHSDS en utilisant la méthodologie PF-ML, tout en réduisant les coûts, en simplifiant le processus et en améliorant les performances. Le métal produit par l’algorithme est Fe-15Cr-3,2Ni-0,8Mn-0,6Cu-0,56Si-0,4Al-0,16C. Ce mélange de fer et de chrome, mélangé avec précision à de petites quantités d’éléments moins coûteux comme le cuivre, le silicium et l’aluminium, a été calculé par l’algorithme pour former la structure interne idéale. Le métal a été imprimé en 3D à l’aide d’une technique de dépôt d’énergie dirigée par laser (LDED), puis cuit dans un traitement thermique court et unique de six heures (à 480°C), et a montré des résultats prometteurs, supérieurs à ceux signalés pour l’UHSDS additivement fabriqué. Ses propriétés mécaniques affichées, LMT : (1 713 ± 17) MPa, LEL : (1 502 ± 33) MPa et AL : (15,5 ± 0,7) %. Cela signifie que le matériau nouvellement conçu peut résister à environ 1 713 mégapascals (MPa), selon le modèle IA. Cette performance représente une augmentation d’environ 30 % de la résistance du métal par rapport à son état brut imprimé. Il peut également s’étirer de plus de 15 % avant de se rompre, représentant le double de la ductilité. Les tests de l’alliage à l’aide d’imprimantes à lit de poudre au laser (LPBF) ont montré que les prévisions de l’IA sont exactes et correspondent exactement à l’expérimentation physique. Lors de l’examen de la structure interne du métal pour comprendre la mécanique derrière ses performances, l’équipe a constaté que le traitement thermique court a créé des nanoparticules de nickel-aluminium et de cuivre qui bloquent les défauts structurels de propagation. Ce qui se passe, c’est que lorsque des contraintes physiques sont appliquées au métal, ces particules agissent comme des barrages routiers, ce qui augmente considérablement la force requise pour le casser. Dans le même temps, de petites poches d’une phase plus douce fonctionnent comme des absorbeurs de choc, ce qui empêche le métal de se rompre sous tension. De plus, le matériau présente une excellente résistance à la corrosion, avec un taux de corrosion de 0,105 mm·a−1 dans l’eau de mer. Étant donné que le nouvel alliage se dégrade de seulement 0,105 millimètre par an, surpassant de nombreux aciers inoxydables commerciaux standard, le matériau a un potentiel d’applications beaucoup plus large, en particulier dans les secteurs aérospatial et maritime, où les matériaux interagissent souvent directement avec l’humidité. Les auteurs estiment que la stratégie de conception PF-ML est une manière économique d’avancer la fabrication additive de métaux et peut aider à créer des métaux forts, conçus sur mesure et anti-rouille avec rapidité. “Cette étude sera d’une grande importance pour fournir de nouvelles perspectives sur le développement d’un UHSDS à faible coût et à processus simplifié, en particulier pour la fabrication laser de composants en acier à haute valeur ajoutée avec des performances globales excellentes”, ont déclaré les auteurs de l’étude. |
Investir dans l’innovation de l’acier
Alors que les chercheurs parfaits ces alliages en laboratoire, des leaders commerciaux comme Carpenter Technology sont déjà en train de mettre à l’échelle l’infrastructure pour apporter des poudres à haute performance imprimables en 3D sur le marché.
Dans le domaine des alliages d’acier avancés,
Carpenter Technology Corporation (CRE ) se démarque comme l’une des entreprises les plus solides pour le développement d’aciers inoxydables spécialisés, d’alliages à haute performance, de titane et d’alliages à base de nickel. L’entreprise développe des alliages pulvérulents spécifiquement utilisés dans la fabrication additive en 3D, y compris des poudres standard et personnalisées, ainsi que du matériel pour la gestion de poudre.
Ces produits desservent les secteurs aérospatial, de la défense, des dispositifs médicaux et de l’énergie, où les aciers à ultra-haute résistance, résistants à la corrosion et imprimés en 3D sont les plus précieux.
La société opère via les segments Specialty Alloys Operations (SAO) et Performance Engineered Products (PEP).
Si l’on examine la performance boursière de Carpenter Technology, elle a connu une tendance haussière massive au cours des six dernières années. Fin 2020, CRS était négocié à moins de 20 $, et mi-2024, le cours de l’action avait dépassé les 100 $. Mais ce rallye ne s’est pas arrêté là ; le cours de l’action a continué à monter, atteignant un plus haut historique (ATH) de 459 $ cette semaine.
Cette réévaluation brutale a été principalement motivée par la transformation de l’entreprise d’un producteur d’acier traditionnel en une entreprise d’alliages spécialisés à haute marge, avec son segment SAO devenant le principal moteur de profit, impulsé par les performances dans le secteur aérospatial.
(CRE )
À l’heure de la rédaction, CRS est négocié à 423,91 $, en hausse de 34,64 % sur l’année et de 122,26 % sur un an. Cela porte la capitalisation boursière de l’entreprise à 21,115 milliards de dollars. Il a un BPA (TTM) de 8,60 $ et un ratio cours/bénéfice (TTM) de 49,26. Le rendement du dividende de l’entreprise est de 0,19 %.
Carpenter Technology a rapporté une augmentation de 31 % d’une année sur l’autre du revenu d’exploitation à 155,2 millions de dollars pour le deuxième trimestre 2026, clos le 31 décembre 2025.
Les attentes dans le segment SAO “dépassent” avec un revenu d’exploitation en augmentation de 29 % d’une année sur l’autre à 174,6 millions de dollars, “son meilleur trimestre à ce jour”, et a livré une marge d’exploitation ajustée de 33,1 %. Notamment, il a enregistré une augmentation de 23 % des commandes pour l’aérospatiale commerciale, tandis que des négociations ont été menées à bien sur plusieurs accords à long terme.
“La performance trimestrielle a été motivée par le segment SAO, qui a continué à étendre les marges d’exploitation ajustées. La demande sur notre marché de défense et d’aérospatiale continue d’augmenter à mesure que les clients gagnent confiance dans les taux de construction”, a déclaré le président et chef de la direction Tony R. Thene.
Pour le trimestre, le bénéfice par action dilué de l’entreprise était de 2,09 $, et le bénéfice par action dilué ajusté était de 2,33 $. Les ventes nettes pour le 2T26 étaient de 728 millions de dollars. Le flux de trésorerie généré par les activités d’exploitation, quant à lui, s’est élevé à 132,2 millions de dollars, reflétant des bénéfices plus élevés et des améliorations du fonds de roulement, ce qui a aidé le flux de trésorerie disponible ajusté à atteindre 85,9 millions de dollars.
Avec cette forte feuille de route et ce flux de trésorerie disponible ajusté significatif, l’entreprise adopte une approche équilibrée de l’allocation du capital, ce qui signifie maintenir l’actif actuel et investir dans des initiatives de croissance à haute valeur comme l’expansion de capacité de 400 millions de dollars, qui ajoutera de la capacité de fusion aux actifs de finition en aval de l’entreprise et stimulera la croissance à long terme.
À la fin du trimestre, l’entreprise disposait de 730,9 millions de dollars en liquidité totale, dont 231,9 millions de dollars en trésorerie et 498,9 millions de dollars en emprunts disponibles.
Au cours de cette période, Carpenter Technology a également dépensé 32,1 millions de dollars en rachats d’actions par rapport à un programme de rachat de 400,0 millions de dollars.
Carpenter Technology a en outre publié une perte comptable à temps partiel de 15,6 millions de dollars pour avoir remboursé tôt ses anciennes dettes. L’entreprise avait des billets à taux senior non garantis qui devaient initialement arriver à échéance en juillet 2028 et en mars 2030, mais au lieu d’attendre ces dates, elle a choisi de les rembourser plus tôt.
L’entreprise a également publié des orientations pour le trimestre en cours et l’exercice 2026, en prévoyant entre 177 millions et 182 millions de dollars de revenu d’exploitation et une augmentation de 30 à 33 % à 680 millions et 700 millions de dollars, respectivement.
Carpenter Technology est “bien positionnée pour une croissance continue au-delà de l’exercice 2027 avec une solide perspective de demande de marché pour notre large portefeuille de solutions spécialisées, une productivité croissante, une optimisation du mélange de produits et des mesures de fixation des prix”, a déclaré l’entreprise.
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Conclusion
Depuis des siècles, l’acier est fabriqué de la même manière. Les méthodes sont devenues plus propres et plus efficaces au fil des décennies, mais l’approche est restée largement inchangée. Maintenant, la conception assistée par ordinateur et l’impression 3D brisent complètement ce schéma.
Développer de l’acier ultra-résistant utilisait à signifier des éléments d’alliage coûteux, des traitements thermiques longs et une expérimentation extensive et itérative. Mais la conception d’alliage assistée par ordinateur rend possible la création d’aciers plus résistants, plus ductiles et plus résistants à la corrosion, spécifiquement optimisés pour l’impression 3D, à moindre coût.
Le super-acier anti-rouille nouvellement développé démontre la capacité de l’apprentissage automatique à résoudre des compromis de longue date entre ses propriétés clés tout en simplifiant les processus de production. Avec une augmentation de 30 % de la résistance, le double de la ductilité et une résistance à la corrosion supérieure, cette innovation offre un potentiel important pour des applications à haute valeur.
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Références
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Nature
518, 77–79 (2015).
https://doi.org/10.1038/nature141442. Li, K., Zhang, Y., Wang, X., Liu, H., Chen, J. & Murr, L. E. Additive manufacturing of ultra-high strength steels: A review.
Journal of Alloys and Compounds
2023. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.172693. Tang, M., Pistorius, P. C. & Beuth, J. L. Prediction of lack-of-fusion porosity for powder bed fusion. Scripta Materialia
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4. Luo, Y., Zhu, T., Pan, C., Ben, X., An, X., Wang, X. & Zhu, H. Interpretable machine learning integrated with physicochemical feature for developing additively manufactured ultra-high strength and ductility steel. International Journal of Extreme Manufacturing 8 (2026). https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae5006
