Comment les quasicristaux renforcent l’aluminium 3D imprimé de qualité aérospatiale

De la théorie à la pratique

Parfois, l’attribution d’un prix Nobel revient à des recherches qui peuvent sembler un peu abstraites pour le grand public. Ce fut le cas du prix Nobel de chimie 2011, qui a récompensé la découverte des « quasicristaux ».

En effet, de nombreux matériaux, qu’ils soient naturels ou artificiels, sont organisés en cristaux « normaux ». Ce qui les définit est une structure 3D simple au niveau atomique qui se répète des millions de fois, jusqu’à l’échelle macroscopique. Ces structures confèrent leurs propriétés à divers métaux, ainsi qu’à d’autres matériaux comme le silicium utilisé dans les puces informatiques et les panneaux solaires.

Il n’existe que 230 façons possibles pour les atomes de former des motifs cristallins répétitifs, ce qui était auparavant considéré comme une règle rigide de la nature.

Source: Nobel Prize

Cependant, il est apparu que d’autres structures étaient possibles, où quelques formes de base peuvent être assemblées pour organiser des structures moléculaires régulières, tout en n’ayant pas de motif répétitif. Cette découverte a été faite par un chercheur travaillant principalement au National Institute of Standards and Technology (NIST).

Source: NIST

Andrew Iams, chercheur au NIST, aurait pu découvrir des applications pratiques pour ces quasicristaux, car ils se forment lors de l’impression 3D d’aluminium. L’aluminium étant un métal très utile dans les applications aérospatiales, mais également particulièrement 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 « 3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing».)

Ces résultats¹, réalisés par des chercheurs du NIST, de HRL Laboratories 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 phase métastable dans un alliage d’aluminium à haute résistance fabriqué par fabrication additive».

Pourquoi les cristaux sont-ils importants ?

Bien qu’une structure cristalline puisse conférer 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. À grande échelle, cela crée des microfractures voire de grandes fissures dans le matériau, le rendant globalement plus faible qu’il ne pourrait l’être théoriquement.

Ce problème est amplifié avec l’impression 3D car le métal fond en petites quantités puis se refroidit de nombreuses fois. Et tant pour l’impression 3D que pour le forgeage traditionnel, 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 solidifié lors du refroidissement. De telles fissures compromettent l’intégrité structurelle des pièces en aluminium, pouvant conduire à des matériaux plus faibles et plus susceptibles de se rompre.

Le besoin d’une impression 3D d’aluminium améliorée

Des températures beaucoup plus extrêmes

Lors du coulage de l’aluminium de manière traditionnelle, les températures du métal liquide varient entre 690 °C et 725 °C (1274 °F – 1337 °F), et les vitesses de refroidissement lors de la solidification se situent généralement entre 0,4 °C/s et 10 °C/s.

En revanche, la fabrication additive (impression 3D) de matériaux métalliques utilise la fusion laser à lit de poudre, où la poudre métallique est déposée puis fondue par un laser (suivez le lien pour le voir en vidéo).

Cela génère des températures du métal liquide supérieures à 3000 °C (5430 °F), dépassant le point d’ébullition du métal plutôt que de simplement le faire fondre, ainsi que des vitesses de refroidissement de solidification ultra-rapides dépassant 1 million °C/s.

Ces températures plus élevées et ces vitesses de refroidissement beaucoup plus rapides amplifient le problème des fissures de solidification.

« Les alliages d’aluminium à haute résistance sont presque impossibles à imprimer. Ils ont tendance à développer des fissures, ce qui les rend inutilisables. »
Fan Zhang - physicien du NIST

Les promesses de l’aluminium imprimé en 3D

Malgré les difficultés techniques, l’impression 3D d’aluminium est très prometteuse, car elle peut créer des formes et des pièces que d’autres techniques de forgeage ne pouvaient pas réaliser.

Par exemple, des pièces de moteurs de fusée ou des buses de carburant pour moteurs d’avion sont désormais souvent fabriquées par impression 3D, passant de jusqu’à 20 pièces nécessitant un assemblage à une seule, réduisant ainsi le poids.

En 2017, une équipe de HRL Laboratories (qui a contribué à la recherche évoquée 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, les raisons de ce fonctionnement n’étaient toujours pas vraiment comprises jusqu’à ce que des structures étranges soient observées dans la structure atomique du métal.

« Afin de faire suffisamment confiance à ce nouveau métal pour l’utiliser dans des composants critiques tels que les pièces d’avions militaires, nous avons besoin d’une compréhension approfondie de la façon dont les atomes s’assemblent. »
Fan Zhang - physicien du NIST

Trouver et fabriquer des quasicristaux

Les chercheurs ont dû utiliser un microscope électronique pour analyser le matériau à la résolution d’image la plus petite possible. Il révèle que les atomes étaient disposés en motifs nouveaux et étranges présentant une symétrie rotationnelle à cinq, trois et deux axes, ce qui ne pouvait pas être produit par les cristaux normalement présents dans les alliages d’aluminium.

« C’est à ce moment que je me suis enthousiasmé. Parce que je pensais que je pourrais être en train d’observer un quasicristal. »
Andrew Iams, ingénieur en recherche de matériaux au NIST

En plus des zones contenant de fins grains d’alliage aluminium-zirconium, les chercheurs ont observé des quasicristaux icosaédriques, sous la forme de dés à 20 faces.

Source: Math Stack Exchange

Cela perturbe la structure cristalline régulière habituellement présente, réduisant le potentiel de formation de fissures. Ainsi, les quasicristaux fragmentent le motif régulier des cristaux d’aluminium, créant des défauts qui renforcent le métal.

Source: Journal of Alloys and Compounds

La simulation informatique a ensuite fourni des informations sur la formation des quasicristaux. Il est apparu qu’une phase secondaire se forme pendant le processus de refroidissement, ce qui favorise la formation des quasicristaux.

À partir de noyaux composés de quasicristaux, les ramifications des ruptures de lignes de quasicristaux dans le métal le rendent globalement plus résistant et moins susceptible de se fissurer lors du refroidissement ou sous contrainte mécanique.

Source: NIST

Développements futurs

Ce nouveau type d’alliage d’aluminium imprimé en 3D présente une dureté comparable à celle de l’AA7075 vieillissant au pic, un alliage d’aluminium établi avec une haute résistance à la corrosion et largement utilisé dans les pièces structurelles d’avions.

Ces premiers tests suggèrent qu’un traitement thermique de durcissement par précipitation pourrait rendre cet alliage encore plus dur, bien que cela doive encore être prouvé expérimentalement.

Cela crée également un cadre dans lequel la production d’aluminium encore plus résistant pourrait être possible. Maintenant que les scientifiques des matériaux peuvent partiellement prédire la formation de quasicristaux lors de la fabrication additive, ils peuvent se concentrer sur l’amélioration de leur occurrence afin d’optimiser les performances mécaniques.

Investir dans l’impression 3D

L’impression 3D n’atteint aujourd’hui que sa maturité technologique, ainsi que la consolidation du marché. Cela offre aux investisseurs une visibilité légèrement accrue par rapport au passé et confirme que cette technologie est loin d’être une mode passagère, mais qu’elle est là pour durer.

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, et dans de nombreux autres pays.

En plus des sociétés abordées ci-dessous, vous pouvez également trouver des idées d’investissement potentielles dans notre article « Top 10 Nanotechnology Stocks».

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection de sociétés d’impression 3D spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que l’ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) afin de profiter de la croissance du secteur de la fabrication additive dans son ensemble.

Un exemple innovant

(En plus des sociétés abordées ci-dessous, vous pouvez lire d’autres exemples dans notre article « Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch »)

Nano Dimension

La plupart des entreprises de fabrication additive se concentrent sur le métal et le plastique, avec un intérêt pour les pièces mécaniques complexes. Nano Dimension, en revanche, se concentre sur l’électronique imprimée en 3D. Cela comprend des technologies très spécialisées telles que les encres conductrices ou diélectriques et les céramiques. Elles peuvent, par exemple, être utilisées pour fabriquer des composants optiques ou radio.

Ceci est l’une des applications possibles de l’impression 3D à l’échelle nanométrique, que nous avons explorée davantage dans « Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization ».

Nano Dimension s’est développée grâce à un mélange d’acquisitions et de R&D interne.

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 disposeront d’une position beaucoup plus forte dans l’impression 3D de métaux et de céramiques à toutes les échelles, de l’électronique aux grands 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 entreprises étaient principalement actives dans des zones géographiques différentes, Nano Dimension en Europe et Desktop Metal aux États‑Unis, ce qui permet une synergie en fusionnant leurs équipes de vente.

Source: Nano Dimension

L’entreprise affirme pouvoir 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 devienne l’un des leaders technologiques.

Source: Nano Dimensions

Les entreprises fusionnées sont très bien placées pour exploiter les nouvelles découvertes en impression 3D et la fabrication d’un alliage d’aluminium plus résistant, ces innovations étant susceptibles d’élargir le marché adressable.

Cependant, les investisseurs doivent être conscients que tant Nano Dimension que Desktop Metal, après leurs acquisitions respectives, étaient en flux de trésorerie négatif, de sorte que la société résultante devra réduire ses coûts ou croître suffisamment pour réaliser un bénéfice à l’avenir.

Dernières nouvelles sur Nano Dimension

Études citées :

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). Fabrication rapide de fibres d’actionneur élastomère diélectrique à haute permittivité. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 avril 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}