Poudre d’acier inoxydable à l’intérieur d’un conteneur métallique, capturée dans le cadre du processus de préparation des matériaux pour la fabrication additive dans l’impression 3D.
L’utilisation mondiale d’additifs métalliques dans la fabrication augmente, tout comme la demande de poudres dont la qualité peut faire le succès ou l’échec d’une fabrication. Dans la toute nouvelle installation d’atomisation ultrasonique du CSIR, à Pretoria, les chercheurs sont les premiers à produire à l’échelle pilote de la poudre d’acier inoxydable 316L qui répond et dépasse les spécifications internationales.
La forme en poudre de l’acier inoxydable 316L est fabriquée à partir d’un alliage d’acier inoxydable très résistant à la corrosion. Il est largement utilisé dans la fabrication industrielle, en particulier dans l’impression 3D et la production de pièces métalliques de précision.
« C’est la plus belle poudre que j’ai vue », déclare Ntombi Mathe, chercheur principal au Conseil pour la recherche scientifique et industrielle (CSIR). En combinant l’atomisation ultrasonique - l’utilisation de vibrations sonores à haute fréquence pour transformer les liquides en un fin brouillard de gouttelettes - et des processus analytiques rigoureux, cette équipe jette les bases de l’entrée de l’Afrique dans la métallurgie des poudres de haute précision.
L’atomisation par ultrasons réinventée
Les systèmes traditionnels d’atomisation par gaz font appel à des buses à haute pression pour réduire le métal en fusion en gouttelettes, un processus à forte intensité de capital et de ressources que peu de producteurs africains peuvent s’offrir. En revanche, l’atomiseur ultrasonique du CSIR utilise des vibrations à haute fréquence pour fracturer le fil fondu en petites gouttelettes sphériques uniformes.
« La poudre doit être sphérique pour pouvoir être utilisée dans des applications telles que la fabrication additive et l’injection de métal », explique Miemie Maminza, responsable scientifique du projet. La demande locale de poudre d’acier inoxydable 316L est évidente, il était donc logique de l’utiliser comme premier alliage d’essai. Sa résistance à la corrosion et sa fiabilité mécanique font de l’acier inoxydable 316L le cheval de bataille des implants médicaux, de l’outillage et des prototypes aérospatiaux imprimés sur métal.
« D’un point de vue technique, c’est aussi un point de départ rentable pendant que nous optimisons notre système », explique Mme Mathe.
L’atomisation du métal en fusion n’est que la moitié de la bataille. Pour garantir la cohérence, il faut des flux de travail méticuleux en post-production. Une fois que l’atomiseur à ultrasons a produit un lot de poudre, l’équipe utilise d’abord des stations de tamisage pour isoler les fractions de taille cible, généralement de 30 à 60 µm, soit environ la moitié de la largeur d’un cheveu humain, pour les systèmes à lit de poudre laser, et jusqu’à 100 µm, soit la taille d’un grain de farine fin, pour le moulage par injection de métal.
« Il faut d’abord optimiser les paramètres de l’atomiseur », explique Mme Maminza, « puis nous tamisons pour isoler les particules de différentes tailles en fonction de l’application ».
« Si la poudre n’est pas parfaitement sphérique, des défauts se formeront pendant le processus d’impression », explique Mme Mathe.
Même des niveaux infimes d’oxygène ou d’autres impuretés peuvent introduire des porosités dans les pièces imprimées. Pour éviter cela, l’ensemble de la chambre d’atomisation est purgé avec de l’argon de haute pureté avant chaque passage et le fil lui-même est soigneusement nettoyé.
Catalyser un écosystème africain naissant
La localisation de la production de poudres permet de remédier à une vulnérabilité critique de la chaîne d’approvisionnement. Les poudres importées peuvent représenter jusqu’à 30% du coût de fabrication, et les retards d’expédition ajoutent encore à l’incertitude. En produisant de la poudre 316L de haute qualité sur le sol sud-africain, l’installation du CSIR vise à réduire les coûts pour les fabricants régionaux et à stimuler la croissance des petites et moyennes entreprises (PME).
« La demande de pièces imprimées en 3D dans l’aérospatiale, les appareils médicaux et l’outillage pour le secteur pétrolier et gazier est en augmentation », note Mme Mathe. « L’ouverture de cette capacité en Afrique du Sud crée des opportunités pour les pays voisins.
Le soutien du gouvernement a été déterminant. Ce projet s’inscrit dans le cadre de l’initiative de fabrication avancée du Ministère de la science, de la technologie et de l’innovation, cofinancée par la Fondation nationale pour la recherche. « Nous sommes reconnaissants au DSTI et à la NRF pour leur soutien », déclare Mme Maminza, « qui nous a permis d’acquérir et de mettre en service cet atomiseur de classe mondiale ». Le CSIR prévoit maintenant de s’associer à des partenaires industriels pour commercialiser la production de matières premières et proposer des programmes de formation pour les ingénieurs et les techniciens dans toute l’Afrique.
Horizons futurs - au-delà de l’acier inoxydable
Si l’acier inoxydable 316L n’est qu’une première étape, la conception modulaire de l’installation permet d’expérimenter toute une série d’alliages. « Nous prévoyons déjà des essais avec le titane et de nouvelles compositions à haute entropie », révèle Mme Mathe. Ces matériaux pourraient déboucher sur de nouvelles applications, depuis les supports légers pour l’aérospatiale jusqu’aux implants biomédicaux résistants à la corrosion et adaptés aux défis des soins de santé en Afrique.
Alors que l’équipe du CSIR affine ses processus de travail, elle s’adresse également aux organismes de normalisation pour harmoniser les spécifications de la métallurgie des poudres sur l’ensemble du continent. « En établissant des critères cohérents pour la taille des particules, la fluidité et la densité de tassement, nous pouvons faire en sorte que les poudres africaines soient compétitives sur la scène mondiale », explique Mme Mathe.
