Quels niveaux de résistance atteignent le 316L et le 7075 après impression 3D ?

Du point de vue de la fabrication et de l’ingénierie, les niveaux de résistance de l’acier inoxydable 316L et de l’aluminium 7075 après impression 3D sont le résultat direct des microstructures uniques formées par des procédés tels que le frittage laser direct de métal (DMLS). Il est essentiel de comprendre que les propriétés « telles qu’imprimées » diffèrent considérablement de celles des matériaux corroyés et dépendent fortement des paramètres d’impression spécifiques et du post-traitement ultérieur.

Propriétés DMLS de l’acier inoxydable 316L

Le 316L produit par DMLS présente généralement une résistance plus élevée mais une ductilité légèrement inférieure à celle de sa version corroyée recuite, en raison d’une microstructure cellulaire extrêmement fine et des contraintes résiduelles issues de la solidification rapide.

• Propriétés mécaniques typiques à l’état tel qu’imprimé (DMLS) :

  • Résistance à la traction ultime (UTS) : 500 - 700 MPa

  • Limite d’élasticité (0,2 %) : 400 - 550 MPa

  • Allongement à la rupture : 30 - 50 %

• Comparaison avec le 316L corroyé (recuite) :

  • UTS : ~485 MPa

  • Limite d’élasticité : ~170 MPa

  • Allongement : ~40 %

• Conclusion clé : Le 316L DMLS tel qu’imprimé présente une limite d’élasticité nettement supérieure (souvent plus du double) tout en conservant une excellente ductilité et une excellente résistance à la corrosion. Cela le rend adapté aux applications exigeantes dans les secteurs médical et aéronautique.

• Effet du traitement thermique : Le traitement de détente réduit les contraintes internes avec une légère diminution de la résistance. Le recuit de mise en solution (recuite complète) recristallise la microstructure, rapprochant les propriétés de celles du matériau corroyé recuit, réduisant fortement la limite d’élasticité tout en restaurant la ductilité maximale.

Propriétés DMLS de l’alliage d’aluminium 7075

Le cas de l’aluminium 7075 est plus complexe et constitue un défi majeur pour la fusion sur lit de poudre par laser. Le 7075 est un alliage à haute résistance, durcissable par précipitation (Zn comme élément principal d’alliage), mais il est très sensible aux fissures à chaud et à la fissuration de solidification lors du refroidissement rapide du DMLS.

• Propriétés mécaniques typiques à l’état tel qu’imprimé (si un traitement sans fissure est obtenu) :

  • Résistance à la traction ultime (UTS) : 200 - 350 MPa

  • Limite d’élasticité (0,2 %) : 100 - 250 MPa

  • Allongement à la rupture : 1 - 5 %

• Comparaison avec le 7075-T6 corroyé :

  • UTS : ~570 MPa

  • Limite d’élasticité : ~500 MPa

  • Allongement : ~10 %

• Conclusion clé : Le 7075 standard à l’état DMLS tel qu’imprimé présente une résistance et une ductilité considérablement plus faibles que le matériau T6 corroyé. Le procédé produit souvent une pièce fragile et de faible densité en raison de microfissures.

• Approches spécialisées et alternatives :

  • Fonctionnalisation par nanoparticules : Des recherches et procédés spécialisés consistent à enrober la poudre de 7075 avec des nanoparticules (ex. Zr ou TiB2) pour former une microstructure à grains fins et supprimer les fissures, atteignant potentiellement des résistances proches de 500 MPa après vieillissement.

  • Alliages d’aluminium alternatifs pour le DMLS : Pour ces raisons, la norme industrielle pour l’aluminium DMLS à haute résistance est AlSi10Mg ou Scalmalloy®.

    • AlSi10Mg (tel qu’imprimé + revenu) : UTS ~400 MPa, YS ~250 MPa. Offre un bon compromis entre résistance, légèreté et imprimabilité.

    • Scalmalloy® (alliage Al-Mg-Sc propriétaire) : UTS ~520 MPa, YS ~480 MPa, allongement ~10 %. C’est actuellement l’alliage d’aluminium le plus résistant disponible pour le DMLS, conçu spécifiquement pour la fabrication additive.

Résumé et implications pour l’ingénierie

Recommandations techniques :

1. Pour les applications inox à haute résistance : Le 316L DMLS est un excellent choix, offrant une limite d’élasticité supérieure à celle du matériau corroyé. Il bénéficie d’une passivation pour une résistance à la corrosion optimale.

2. Pour les applications aluminium à haute résistance : Évitez le 7075 standard pour le DMLS. Préférez AlSi10Mg pour des performances globales équilibrées ou Scalmalloy® pour la résistance maximale. Ces pièces peuvent être améliorées par anodisation pour la protection de surface.

3. Toujours valider : Les propriétés mécaniques dépendent du procédé. Pour les applications critiques, exigez toujours des rapports d’essais matière du fabricant selon vos paramètres de fabrication spécifiques.