Acier imprimé en 3D conçu par IA: Ultra‑solide & anti‑rouille

L’acier est l’un des matériaux clés de la civilisation moderne. Sa durabilité, sa ductilité et sa haute résistance le rendent indispensable dans presque tous les aspects de notre vie: la fabrication, le transport, la construction et l’énergie.

Il est intéressant de noter que l’acier est entièrement recyclable, sans perdre sa qualité, sa résistance ou son intégrité structurelle, ce qui le rend essentiel pour un développement économique durable.

En 2025, le monde a produit au total 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 principal producteur d’acier, suivie de près par l’Inde et les États‑Unis.

Employant des millions de personnes à l’échelle mondiale, l’industrie de l’acier constitue un moteur économique clé.

Mais qu’est‑ce exactement ? L’acier est un alliage, un mélange de deux éléments ou plus. Plus précisément, l’acier est composé d’un élément métallique fer (Fe) et de petites quantités de carbone (C) non métallique ainsi que d’éléments additionnels tels que le manganèse (Mn), le phosphore (P), le soufre (S), le silicium (Si), l’oxygène (O), le chrome (Cr) ou le nickel (Ni) afin d’améliorer la résistance, la ténacité et la résistance à la corrosion du matériau.

Ainsi, il n’existe pas un seul type d’acier ; il existe des centaines de nuances différentes d’acier avec des propriétés chimiques et physiques variées.

Quant à la façon dont l’acier est produit, les méthodes du haut fourneau‑four à oxygène basique (BF‑BOF) et du four à arc électrique (EAF) sont généralement utilisées. La différence principale entre les deux réside dans le type de matières premières qu’elles 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.

Bien que l’industrie de l’acier ait fait d’importants efforts pour réduire la pollution environnementale au cours des dernières décennies, la méthode dominante de production d’acier à partir du minerai de fer repose encore sur les combustibles fossiles comme agents réducteurs. Cependant, la mise en œuvre de nouvelles technologies dans des installations pilotes et à l’échelle commerciale contribue à une transition vers une production d’acier à faible teneur en carbone.

De plus, les scientifiques travaillent continuellement à créer un acier plus respectueux de l’environnement avec des propriétés bien supérieures à celles existantes.

Par exemple, l’acier ultra‑solide, souvent classé comme Advanced High‑Strength Steel (AHSS) ou Ultra‑High‑Strength Steel (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 cherchant à améliorer l’efficacité et à réduire leur empreinte carbone.

Pour réaliser ce type d’acier, les scientifiques ont tendance à manipuler la structure nanoscopique de l’alliage.

Il y a environ une décennie, une équipe de l’Université des Sciences et Technologies de Pohang a inventé un alliage d’acier¹ qui possédait le même rapport résistance‑poids que le titane, un métal ultra‑solide utilisé pour fabriquer des missiles, des moteurs à réaction, des engins spatiaux et des implants médicaux, mais à un dixième du coût.

Puis, il y a plusieurs années, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Labs et de l’Université de Hong Kong ont créé un super‑acier en « activant le durcissement par délamination couplé à la plasticité induite par transformation ».

Les scientifiques travaillent également sur un acier anti‑rouille, qui peut aider à prévenir les défaillances structurelles et garantir la durabilité dans des environnements très humides.

Cela parce que l’acier est très sensible 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. Différents revêtements protecteurs, tels que la peinture ou la galvanisation zincée, sont utilisés pour surmonter ce problème. Le chrome et le nickel sont également employés 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 avec l’aide de l’intelligence artificielle (IA) qui non seulement a augmenté la résistance du métal de 30 % mais a également doublé sa ductilité et le rend anti‑rouille. De plus, cet acier super‑solide peut être imprimé en 3D.

Fabrication additive comme facteur de changement pour l’innovation de l’acier

Dans ce processus, un objet 3D est construit en ajoutant du matériau couche par couche à partir d’un modèle numérique. Il utilise une gamme de matériaux, y compris les plastiques, les polymères et les métaux.

Pour les chercheurs et les entreprises, le principal avantage de la technologie d’impression 3D est la rapidité. Le 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 les petites séries, éliminant le besoin de machines coûteuses et de techniciens expérimentés pour les faire fonctionner. Il y a également beaucoup moins de déchets matériels puisque la pièce est construite à partir de zéro.

Il y a aussi la flexibilité de créer des pièces uniques, complexes et personnalisées à partir de multiples matériaux. Parallèlement, l’assemblage étape par étape des pièces en impression 3D assure la cohérence et une qualité supérieure.

La durabilité est un autre avantage majeur de l’impression 3D. On peut développer le produit complet soi‑même, réduisant ainsi le besoin d’externalisation.

Pour les fabricants d’acier, cette technique de fabrication réduit considérablement le temps de développement et les déchets matériels tout en leur permettant d’expérimenter en interne et de réaliser des tests de prototypes plus rapidement. Elle 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 dépendre d’outils traditionnels coûteux ou de la fabrication externalisée.

Comparée aux technologies de fabrication traditionnelles, AM possède des caractéristiques spéciales², telles que l’accumulation couche par couche, les interactions matérielles, des taux de refroidissement élevés et le chauffage cyclique. Ces caractéristiques aboutissent à une microstructure unique, incluant des grains fins, des dislocations à haute densité, une structure cellulaire métallique et une composition de phase, qui confèrent des propriétés mécaniques remarquables aux aciers ultra‑hautes‑résistances.

En ce qui concerne l’impression 3D d’acier ultra‑haute résistance et ductile (UHSDS), qui possède des propriétés mécaniques exceptionnelles, elle a démontré une grande applicabilité dans des secteurs tels que l’aérospatiale, la fabrication automobile et le transport maritime.

Mais comme le note la nouvelle étude internationale, ses applications d’ingénierie ont été fortement limitées en raison du besoin d’éléments d’alliage coûteux à haute teneur comme le nickel (Ni), le cobalt (Co) ou le molybdène (Mo), ainsi que d’un traitement thermique complexe, tout en présentant une faible résistance à la corrosion.

L’apprentissage automatique offre une solution à cette contrainte. En 2020, des scientifiques de l’US Air Force et de l’Université Texas A&M ont démontré le potentiel de l’impression 3D d’acier ultra‑solide³ en utilisant un laser pour faire fondre la poudre d’acier sur place. Ils ont utilisé le modèle Eagar‑Tsai pour optimiser les réglages du laser et réduire les défauts d’impression. Les échantillons imprimés ont présenté des résistances à la traction allant jusqu’à 1,4 GPa, la plus élevée jamais rapportée pour un alliage imprimé en 3D, montrant que l’optimisation du processus seule peut améliorer considérablement les performances du matériau.

L’optimisation des compositions d’acier haute performance et des paramètres de traitement à l’aide du ML utilise diverses approches de modélisation, telles que le modèle composition‑traitement‑propriétés (CPP). Le modèle CPP‑ML, cependant, impose des exigences élevées sur la qualité des jeux de données, ce que le modèle CPIP‑ML atténue en incorporant des variables intermédiaires dérivées des modèles de métallurgie physique (PM), de CALPHAD et du dépistage des caractéristiques physico‑chimiques (PF).

Comme le souligne la dernière étude, la complexité multi‑composants de l’UHSDS pose des défis tant pour le ML guidé par la PM que pour l’optimisation ML combinée à CALPHAD. Ainsi, les chercheurs de l’Université du Sud de la Chine et de l’Université Purdue se sont tournés vers la stratégie PF‑ML pour développer l’UHSDS de manière rentable.

Impression 3D d’un acier ultra‑solide qui ne rouille jamais

Publié dans le International Journal of Extreme Manufacturing⁴, les chercheurs ont construit un modèle « apprentissage automatique interprétable » spécifiquement pour analyser 81 caractéristiques physico‑chimiques des éléments.

Au lieu de laisser l’IA deviner les combinaisons, l’équipe l’a fait analyser des caractéristiques spécifiques telles que le rayon atomique et le comportement des électrons afin de créer un alliage ultra‑solide, anti‑rouille et imprimable en 3D.

Le matériau a en fait été développé spécifiquement pour le processus d’impression 3D en faisant également analyser par le modèle la façon dont l’alliage réagirait à celui‑ci.

« Cette stratégie a considérablement accéléré le processus de découverte et permis l’introduction d’une stratégie à faible coût et à processus court pour la fabrication additive d’UHSDS avec une résistance exceptionnelle à la corrosion, surmontant ainsi les limitations critiques des aciers actuellement fabriqués par impression additive », ont écrit les auteurs de l’étude.

Pour créer un acier ultra‑haute résistance et ductile (UHSDS), l’équipe a commencé par filtrer les caractéristiques afin d’identifier quelles caractéristiques clés influencent la résistance à la traction ultime (UTS), la limite d’élasticité (YS) et l’allongement (EL) du matériau.

Ensuite, ils ont utilisé l’algorithme explicatif additif de Shapley (SHAP) basé sur la théorie des jeux pour identifier les règles explicites régissant les effets des éléments sur ces propriétés. Puis, les critères d’évaluation et les résultats d’analyse ont été combinés afin d’identifier les éléments d’alliage pouvant améliorer à la fois la résistance et la ductilité.

Enfin, l’équipe a utilisé NSGA‑III (Algorithme génétique à tri non dominé) pour optimiser la teneur en éléments et les paramètres de traitement thermique. Un nouvel UHSDS à faible coût avec un traitement de revenu simple en une seule étape a ensuite été conçu.

Grâce à son étude, l’équipe a développé une nouvelle stratégie pour la fabrication additive d’UHSDS en utilisant la méthodologie PF‑ML, tout en réduisant les coûts, simplifiant le processus et 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, combiné précisément avec 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 soumis à un traitement thermique court, en une seule étape de six heures (à 480 °C), et a montré des résultats prometteurs, supérieurs à ceux rapportés pour les UHSDS fabriqués par impression additive.

Ses propriétés mécaniques affichent, UTS: (1 713 ± 17) MPa, YS: (1 502 ± 33) MPa et EL: (15,5 ± 0,7) %. Cela signifie que le matériau nouvellement conçu peut supporter environ 1 713 Mégapascals (MPa), selon le modèle IA. Cette performance représente environ une augmentation de 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, ce qui représente le double de la ductilité.

Les tests de l’alliage à l’aide d’imprimantes à fusion laser de lit de poudre (LPBF) ont montré que les prédictions de l’IA sont précises et correspondent exactement aux expérimentations physiques.

En examinant la structure interne du métal pour comprendre la mécanique derrière ses performances, l’équipe a constaté que le court traitement thermique créait des nanoparticules de nickel‑aluminium et de cuivre qui bloquaient la propagation des défauts structurels.

Ce qui se passe, c’est que lorsqu’une contrainte physique est appliquée au métal, ces particules agissent comme des barrages, augmentant considérablement la force nécessaire pour le rompre. En même temps, de petites poches d’une phase plus douce fonctionnent comme des absorbeurs de chocs, empêchant la rupture sous tension.

De plus, le matériau présente une excellente résistance à la corrosion, avec un taux de corrosion de 0,105 mm·a⁻¹ en eau salée.

Étant donné que le nouvel alliage ne se dégrade qu’à raison de 0,105 millimètre par an, surpassant de nombreux aciers inoxydables commerciaux standard, le matériau a un potentiel d’applications beaucoup plus larges, notamment dans les secteurs maritime et aérospatial, où les matériaux interagissent souvent directement avec l’humidité.

Les auteurs estiment que la stratégie de conception PF‑ML est une méthode économique pour faire progresser la fabrication additive de métaux et peut aider à créer des métaux solides, conçus sur mesure et résistants à la rouille, rapidement.

« Ce travail sera d’une grande importance pour fournir de nouvelles perspectives sur le développement d’UHSDS à faible coût et à processus simplifié, en particulier pour la fabrication laser de composants en acier à forte valeur ajoutée avec d’excellentes performances globales », a déclaré l’étude.

Investir dans l’innovation de l’acier

Alors que les chercheurs perfectionnent ces alliages en laboratoire, des leaders commerciaux comme Carpenter Technology sont déjà en train d’étendre l’infrastructure pour commercialiser des poudres imprimées en 3D à haute performance.

Dans le domaine des alliages d’acier avancés, Carpenter Technology Corporation (CRE ) se distingue comme l’une des entreprises les plus fortes pour le développement d’aciers inoxydables spécialisés, d’alliages haute performance, de titane et d’alliages à base de nickel. L’entreprise développe des alliages en poudre spécifiquement utilisés dans la fabrication additive 3D additive manufacturing, incluant des poudres standard et sur mesure, ainsi que du matériel de gestion de poudre.

Ces produits servent les secteurs aérospatial, défense, dispositifs médicaux et énergie, où les aciers imprimés en 3D ultra‑hautes résistances et résistants à la corrosion sont les plus précieux.

L’entreprise opère à travers les segments Specialty Alloys Operations (SAO) et Performance Engineered Products (PEP).

Si l’on examine la performance boursière de Carpenter Technology, elle connaît une forte tendance haussière depuis six ans. Fin 2020, CRS était cotée sous 20 $, et à la mi‑2024, le cours de l’action avait dépassé les 100 $. Mais cette envolée ne s’est pas arrêtée là ; le cours de l’action a continué de grimper, atteignant un sommet historique (ATH) de 459 $ cette semaine.

Cette forte revalorisation a été principalement due à la transformation de l’entreprise, passant d’un producteur d’acier de commodité traditionnel à une activité d’alliages spécialisés à forte marge, son segment SAO devenant le principal moteur de profit, soutenu par la performance dans le secteur aérospatial.

Au moment de la rédaction, CRS se négocie à 423,91 $, en hausse de 34,64 % depuis le début de l’année et de 122,26 % au cours de l’année écoulée. Cela porte la capitalisation boursière de l’entreprise à 21,115 milliards de dollars. Elle affiche un BPA (TTM) de 8,60 et un PER (TTM) de 49,26. Le rendement du dividende de l’entreprise est de 0,19 %.

Carpenter Technology a déclaré une hausse de 31 % d’une année sur l’autre de son revenu d’exploitation, atteignant 155,2 millions de dollars pour le deuxième trimestre 2026, se terminant le 31 décembre 2025.

Les attentes dans le segment SAO « ont dépassé » avec un revenu d’exploitation en hausse de 29 % d’une année sur l’autre, atteignant 174,6 millions de dollars, « son meilleur trimestre jamais enregistré », et ont livré une marge opérationnelle ajustée de 33,1 %. Notamment, il a enregistré une hausse de 23 % des réservations pour l’aérospatiale commerciale, tandis que des négociations ont été conclues sur plusieurs accords à long terme.

« La performance trimestrielle a été tirée par le segment SAO, qui a continué d’élargir les marges opérationnelles ajustées. La demande sur notre marché d’utilisation finale aérospatiale et défense continue de s’accélérer à mesure que les clients gagnent en confiance avec les taux de production croissants. »

– Président et PDG Tony R. Thene

Pour le trimestre, le bénéfice par action diluée de l’entreprise était de 2,09 $, et le bénéfice ajusté par action diluée était de 2,33 $. Les ventes nettes du 2T26 s’élevaient à 728 millions de dollars. La trésorerie générée par les activités opérationnelles était de 132,2 millions de dollars, reflétant des bénéfices plus élevés et des améliorations du fonds de roulement, ce qui a permis au flux de trésorerie disponible ajusté d’atteindre 85,9 millions de dollars.

Avec ce bilan solide et un flux de trésorerie disponible ajusté significatif, l’entreprise adopte une approche équilibrée de l’allocation de capital, ce qui signifie maintenir la base d’actifs actuelle et investir dans des initiatives de croissance à forte valeur ajoutée comme l’expansion de capacité brownfield 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 de liquidités totales, comprenant 231,9 millions de dollars en trésorerie et 498,9 millions de dollars d’emprunts disponibles.

Au cours de cette période, Carpenter Technology a également dépensé 32,1 millions de dollars en rachats d’actions dans le cadre d’un programme de rachat de 400,0 millions de dollars.

Carpenter Technology a également déclaré une perte comptable ponctuelle de 15,6 millions de dollars pour le remboursement anticipé de sa dette ancienne. L’entreprise détenait des obligations senior non garanties qui devaient initialement arriver à échéance en juillet 2028 et mars 2030, mais au lieu d’attendre, elle a choisi de les racheter tôt.

L’entreprise a également publié des prévisions pour le trimestre en cours et l’exercice 2026, prévoyant entre 177 millions et 182 millions de dollars de revenu d’exploitation et une hausse de 30‑33 % pour atteindre respectivement 680 millions et 700 millions de dollars.

Carpenter Technology est « bien positionnée pour une croissance continue au-delà de l’exercice 2027 avec une forte perspective de demande du marché pour notre large portefeuille de solutions spécialisées, augmentant la productivité, optimisant le mix produit et les actions tarifaires », a déclaré l’entreprise.

Dernières nouvelles et développements boursiers de Carpenter Technology Corporation (CRE)

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. Aujourd’hui, la conception pilotée par l’IA et l’impression 3D brisent entièrement ce schéma.

Développer de l’acier ultra‑haute résistance signifiait auparavant des éléments d’alliage coûteux, des traitements thermiques longs et une expérimentation extensive par essais et erreurs. Mais la conception d’alliages pilotée par l’IA 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 récemment développé démontre la capacité de l’apprentissage automatique à résoudre les 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 majeur pour des applications à haute valeur ajoutée.

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Références

^{1. Kim, S.-H., Kim, H. & Kim, N. J. Composé intermetallic fragile rend l’acier à faible densité ultra‑solide avec une grande ductilité. Nature 518, 77–79 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14144
2. Li, K., Zhang, Y., Wang, X., Liu, H., Chen, J. & Murr, L. E. Fabrication additive d’aciers ultra‑hautes résistances: Une revue. Journal of Alloys and Compounds 2023. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.17269
3. Tang, M., Pistorius, P. C. & Beuth, J. L. Prédiction de la porosité due à un manque de fusion pour la fusion par lit de poudre. Scripta Materialia 161, 69–72 (2019). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.10.024
4. Luo, Y., Zhu, T., Pan, C., Ben, X., An, X., Wang, X. & Zhu, H. Apprentissage automatique interprétable intégré aux caractéristiques physico‑chimiques pour développer un acier ultra‑haute résistance et ductilité fabriqué par impression additive. International Journal of Extreme Manufacturing 8 (2026). https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae5006}