Fabrication additive
Comment les quasi-cristaux renforcent l’aluminium imprimé en 3D de grade aérospatial
De la théorie à la pratique
Parfois, l’attribution du prix Nobel va à des recherches qui peuvent être un peu abstraites pour le grand public. C’était le cas du prix Nobel de chimie 2011, qui a récompensé la découverte de « quasi-cristaux ».
C’est parce que de nombreux matériaux dans la nature, ainsi que les matériaux fabriqués par l’homme, sont organisés en “cristaux normaux”. Ce qui les définit, c’est une structure 3D simple au niveau atomique qui se répète des millions de fois, jusqu’à l’échelle macroscopique. Ces structures sont celles qui donnent les propriétés à divers métaux, ainsi qu’à d’autres matériaux comme le silicium utilisé dans les puces informatiques et les panneaux solaires.
Il n’y a que 230 façons possibles pour que les atomes forment des motifs cristallins répétitifs, quelque chose qui était précédemment considéré comme une règle rigide de la nature.
Source : Prix Nobel
Cependant, il est apparu que d’autres structures étaient possibles, où quelques formes de base pouvaient être assemblées pour organiser des structures moléculaires régulières, tout en n’ayant pas de motif répétitif. Cette découverte a été faite par un chercheur qui travaillait principalement à l’Institut national des normes et de la technologie (NIST).
Source : NIST
Andrew Iams, un chercheur au NIST, a peut-être trouvé des applications pratiques pour de tels quasi-cristaux, car ils se forment pendant l’impression 3D de l’aluminium. Comme l’aluminium est un métal très utile dans les applications aérospatiales, mais également très difficile à imprimer en 3D, cela pourrait représenter une avancée majeure.
(Vous pouvez lire un aperçu de l’industrie de l’impression 3D dans notre article « Consolidation de l’impression 3D dans le futur de la fabrication »).
Ces résultats1, réalisés par des chercheurs du NIST, des laboratoires HRL LLC et de L.A. Giannuzzi & Associates LLC, ont été publiés dans le Journal of Alloys and Compounds, sous le titre « Caractéristiques microstructurales et formation de phases métastables dans un alliage d’aluminium à haute résistance fabriqué à l’aide de la fabrication additive ».
Pourquoi les cristaux sont-ils importants ?
Alors qu’une structure cristalline peut donner des propriétés spéciales à un matériau, elle comporte également des faiblesses.
Comme la structure est extrêmement régulière, il peut être facile pour les atomes de glisser les uns sur les autres. Lorsque cela est fait à grande échelle, cela crée des microfissures ou même des fissures importantes dans le matériau, le rendant globalement plus faible qu’il ne pourrait théoriquement l’être.
Ce problème est amplifié avec l’impression 3D car le métal fond en petites quantités et est ensuite refroidi de nombreuses fois. Et pour l’impression 3D et la forge traditionnelle, l’aluminium est particulièrement vulnérable aux fissures de solidification, ou déchirures à chaud.
Cela se produit lorsque le métal liquide restant ne parvient pas à compenser la contraction du métal déjà solide en refroidissement. De telles fissures compromettent l’intégrité structurelle des pièces en aluminium, les rendant potentiellement plus faibles et plus susceptibles de défaillance.
Le besoin d’une meilleure impression 3D de l’aluminium
Températures encore plus extrêmes
Lors de la coulée d’aluminium de manière traditionnelle, les températures de métal liquide varient entre 690 °C et 725 °C (1274 °F – 1337 °F), et les taux de refroidissement de solidification sont généralement compris entre 0,4 °C/s et 10 °C/s.
En revanche, la fabrication additive (impression 3D) pour les matériaux métalliques utilise la fusion au laser de poudre de métal, où la poudre de métal est déposée puis fondue par un laser (suivez le lien pour le voir en vidéo).
Cela génère des températures de métal liquide supérieures à 3000 °C (5430 °F), au-delà du point d’ébullition du métal au lieu de le faire simplement fondre, et des taux de refroidissement de solidification ultra-rapides dépassant 1 million °C/s.
Ces températures plus élevées et ces taux de refroidissement beaucoup plus élevés amplifient le problème des fissures de solidification.
« Les alliages d’aluminium à haute résistance sont presque impossibles à imprimer. Ils tendent à se fissurer, ce qui les rend inutilisables. »
Les promesses de l’aluminium imprimé en 3D
Malgré les difficultés techniques, l’impression 3D de l’aluminium est très prometteuse, car elle peut créer des formes et des pièces que d’autres techniques de forge ne pourraient pas créer.
Par exemple, les pièces des moteurs-fusées ou les buses de carburant pour les moteurs d’avion sont maintenant souvent fabriquées à l’aide de l’impression 3D, transformant jusqu’à 20 pièces nécessitant un assemblage en une seule pièce et réduisant son poids.
En 2017, une équipe des laboratoires HRL (qui ont contribué à la recherche discutée ici) a découvert que l’ajout de zirconium à la poudre d’aluminium empêchait les pièces imprimées en 3D de se fissurer, aboutissant à un alliage solide.
Source : Journal of Alloys and Compounds
Cependant, on ne comprenait pas vraiment pourquoi cela fonctionnait jusqu’à ce que des structures étranges soient observées dans la structure atomique du métal.
« Pour faire confiance à ce nouveau métal suffisamment pour l’utiliser dans des composants critiques tels que des pièces d’avion militaire, nous devons avoir une compréhension approfondie de la façon dont les atomes s’assemblent. »
Découverte et fabrication de quasi-cristaux
Les chercheurs ont dû utiliser un microscope électronique pour analyser le matériau à la résolution d’image la plus petite possible. Cela révèle que les atomes étaient organisés en motifs nouveaux et étranges présentant une symétrie rotationnelle à cinq, trois et deux fois, qui ne pouvait pas être causée par les cristaux normalement trouvés dans l’alliage d’aluminium.
« C’est là que j’ai commencé à m’exciter. Parce que je pensais que je pourrais regarder un quasi-cristal. »
Andrew Iams, ingénieur de recherche en matériaux au NIST
Outre les zones avec des grains fins d’alliage d’aluminium-zirconium, les chercheurs ont observé des quasi-cristaux icosaédriques, en forme de dés à 20 faces.
Source : Math Stack Exchange
Cela brise la structure cristalline régulière normalement trouvée, réduisant le potentiel de formation de fissures. Ainsi, les quasi-cristaux brisent le motif régulier des cristaux d’aluminium, provoquant des défauts qui rendent le métal plus solide.
Source : Journal of Alloys and Compounds
La simulation informatique a ensuite fourni des informations sur la formation des quasi-cristaux. Il est apparu qu’il y a une phase secondaire pendant le processus de refroidissement, qui est favorable à la formation de quasi-cristaux.
À partir de noyaux composés de quasi-cristaux, des ramifications de motifs de quasi-cristaux en ligne de rupture dans le métal, le rendant globalement plus solide et moins susceptible de se fissurer pendant le refroidissement ou sous contrainte mécanique.
Source : NIST
Évolutions futures
Ce nouvel alliage d’aluminium imprimé en 3D présente une dureté comparable à celle de l’AA7075 à son point de durcissement maximum, un alliage d’aluminium établi avec une résistance élevée à la corrosion et largement utilisé dans les pièces structurelles d’avion.
Ces tests initiaux suggèrent que le traitement thermique de durcissement par précipitation pourrait rendre cet alliage encore plus dur, bien qu’il soit encore nécessaire de le prouver expérimentalement.
Cela crée également un cadre dans lequel la production d’un alliage d’aluminium encore plus solide pourrait être possible. Maintenant que les scientifiques des matériaux peuvent prévoir partiellement la formation de quasi-cristaux pendant la fabrication additive, ils pourraient se concentrer sur l’amélioration de leur occurrence pour améliorer les performances mécaniques.
Investir dans l’impression 3D
L’impression 3D n’atteint sa maturité technologique que maintenant, ainsi que la consolidation du marché. Cela donne aux investisseurs un peu plus de visibilité qu’autrefois et confirme que cette technologie est loin d’être une mode, mais est là pour rester.
Vous pouvez investir dans des sociétés liées à l’impression 3D via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver sur ce site nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États-Unis, au Canada, en Australie, au Royaume-Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.
Outre les sociétés discutées ci-dessous, vous pouvez également trouver des idées d’investissement potentielles dans notre article « Top 10 des actions de nanotechnologie ».
Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection de sociétés d’impression 3D spécifiques, vous pouvez également examiner les ETF tels que ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) pour profiter de la croissance du secteur de la fabrication additive dans son ensemble.
Un exemple innovant
(Outre les sociétés discutées ci-dessous, vous pouvez lire à leur sujet dans notre article « Top 10 des actions de fabrication additive et d’impression 3D à surveiller »)
Nano Dimension
(NNDM )
La plupart des sociétés de fabrication additive se concentrent sur les métaux et les plastiques, avec un œil sur les pièces mécaniques complexes. Nano Dimension se concentrait plutôt sur l’électronique imprimée en 3D. Cela inclut des technologies très spécialisées comme les encres conductrices ou diélectriques et les céramiques. Celles-ci peuvent par exemple être utilisées pour la construction de composants optiques ou radio.
Il s’agit de l’une des applications possibles de l’impression 3D à l’échelle nanométrique, que nous avons explorée plus en détail dans « L’impression 3D à l’échelle nanométrique semble prête à être commercialisée ».
Nano Dimension a grandi grâce à un mélange d’acquisitions et de R&D internes.
Source : Nano Dimensions
Cette stratégie a atteint un nouveau sommet avec l’acquisition de Desktop Metal annoncée en 2024 et finalisée en 2025. Ensemble, les deux sociétés auront une position beaucoup plus forte dans l’impression 3D de métal et de céramique à toutes les échelles, des électroniques aux grandes équipements industriels et aérospatiaux.
Cela crée également des économies d’échelle en fusionnant la base de clients qui comprend SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, etc.
Enfin, les deux sociétés étaient principalement actives dans différentes zones géographiques, avec Nano Dimension en Europe et Desktop Metal aux États-Unis, permettant une synergie en fusionnant leurs équipes de vente.
Source : Nano Dimension
La société affirme qu’elle peut réduire l’empreinte écologique de la fabrication, avec une réduction de 94 % des émissions de CO2, 100 % de l’eau, 98 % des matériaux et 82 % des produits chimiques. Dans l’ensemble, nous pouvons nous attendre à ce que Nano Dimension émerge comme l’un des leaders de la technologie.
Source : Nano Dimensions
Les sociétés fusionnées sont très bien positionnées pour tirer parti des nouvelles découvertes en impression 3D et sur la façon de créer un alliage d’aluminium plus solide, ces innovations étant susceptibles d’élargir le marché adressable.
Cependant, les investisseurs doivent être conscients que les deux sociétés, Nano Dimension et Desktop Metal, étaient déficitaires en termes de flux de trésorerie avant l’acquisition, donc la société résultante devra réduire les coûts ou croître suffisamment pour générer des bénéfices à l’avenir.
Dernières nouvelles sur Nano Dimension
Études référencées :
1. Andrew D. Iamset al. (2025). Fabrication rapide de fibres d’actuateurs élastomères diélectriques à haute perméabilité. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 avril 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281
