Dans l’impression 3D métallique, les structures de support peuvent parfois représenter jusqu’à 50 % du volume de la pièce brute. Avec les pièces défectueuses, ces déchets métalliques de grande valeur ne peuvent pas être réintégrés dans le cycle de production en raison de la difficulté de leur récupération. Une équipe de recherche de l’Université nationale russe des sciences et technologies (NUST MISIS) a développé une méthode de nébulisation ultrasonique qui, grâce à des vibrations haute fréquence de 50 000 fois par seconde, « secoue » les déchets métalliques pour les transformer en poudres à haute sphéricité, avec un coefficient de sphéricité atteignant 0,90 (1 étant une sphère parfaite), ouvrant ainsi une nouvelle voie pour le recyclage en boucle fermée des déchets métalliques de la fabrication additive. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans le journal JCR Q1 Journal of Manufacturing and Materials Processing.

Le problème des « déchets précieux » de l’impression 3D

La fabrication additive métallique (impression 3D métallique) est l’une des technologies de fabrication clés dans les secteurs de l’aérospatiale, des implants médicaux et des moules haut de gamme. Cependant, cette technologie souffre d’un « problème de riches » : elle génère une grande quantité de déchets métalliques de grande valeur.

Lors du processus d’impression 3D métallique, la poudre métallique non fondue peut être tamisée et réintroduite dans le cycle de travail. Cependant, deux types de déchets ne peuvent pas être recyclés directement :

Structures de support : nécessaires lors de l’impression de pièces complexes, elles peuvent dans certains cas représenter jusqu’à 50 % du volume de la pièce brute.

Pièces défectueuses : pièces de qualité inférieure issues d’impressions ratées.

Ces déchets ont exactement la même composition que la poudre d’origine et ont une valeur très élevée — en particulier pour les alliages de titane, les superalliages à base de nickel, voire les métaux précieux comme le platine. Cependant, en raison de la complexité de leur traitement de recyclage, ils ont longtemps été mis au rebut ou utilisés à des fins de qualité inférieure, sans pouvoir retourner dans le cycle de production de haute valeur.

Quatre avancées technologiques majeures de la nébulisation ultrasonique

L’équipe du laboratoire de fabrication additive de la NUST MISIS, dirigée par l’étudiant-chercheur et ingénieur senior Leonid Fedorenko et Olga Bashmakova, a développé une méthode de nébulisation ultrasonique pour transformer directement les déchets métalliques en poudre d’impression de haute qualité.

Mécanisme central : fusion par arc électrique + vibrations ultrasoniques à 50 000 fois/seconde

Le principe central de cette technologie se décompose en trois étapes :

Fusion par arc électrique : les déchets métalliques sont fondus sous l’effet d’un arc électrique, formant un flux de métal liquide.

Nébulisation ultrasonique : le flux de métal liquide s’écoule vers une surface vibrant à une fréquence allant jusqu’à 50 000 fois par seconde.

Solidification instantanée : les gouttelettes de métal en fusion se solidifient instantanément dans une atmosphère de gaz argon, formant de minuscules particules de poudre sphériques.

La clé de ce processus réside dans le fait que les vibrations ultrasoniques haute fréquence brisent la tension superficielle du métal liquide, le « secouant » en gouttelettes uniformes et minuscules, qui refroidissent et se solidifient rapidement dans l’atmosphère protectrice.

Saut de sphéricité : de la « pomme de terre » à la « bille »

La sphéricité est un indicateur clé de la qualité de la poudre métallique — plus la sphéricité est élevée, meilleures sont la fluidité de la poudre et la densité de tassement lors de l’étalement.

Les données expérimentales de l’équipe de recherche sont impressionnantes :

Coefficient de sphéricité de la poudre régénérée : porté à 0,90 (1 étant une sphère parfaite).

Avantage comparatif : les poudres préparées par atomisation gazeuse traditionnelle ont souvent des formes irrégulières, tandis que la technologie de nébulisation ultrasonique permet d’obtenir des poudres à haute sphéricité, ce qui, théoriquement, contribue à améliorer la densité et les propriétés mécaniques des pièces imprimées.

Olga Bashmakova souligne : « La sphéricité des particules de poudre régénérée est considérablement améliorée. Plus le coefficient de sphéricité du matériau en poudre est élevé, meilleures sont ses propriétés rhéologiques et la densité de tassement lors de l’étalement dans les équipements de fusion laser sélective. »

Boucle fermée du procédé : déchets → poudre → impression → déchets

L’objectif ultime de cette technologie est de fermer le cycle de production de la fabrication additive métallique. Grâce à la nébulisation ultrasonique, les structures de support et les pièces défectueuses, qui ne pouvaient auparavant pas retourner dans le cycle de production, peuvent être transformées en poudre sphérique de haute qualité et réintroduites dans le processus d’impression 3D.

Cela signifie qu’un système complet de recyclage en boucle fermée « déchets → poudre → impression → déchets » pourrait être mis en place, transformant fondamentalement le modèle d’utilisation des ressources de la fabrication additive métallique.

Validation académique : publication dans un journal Q1, financement par la Fondation scientifique russe

Cette recherche a été publiée dans le journal JCR Q1 Journal of Manufacturing and Materials Processing et a reçu un financement de la Fondation scientifique russe (numéro de projet : 25-79-10304).

Des alliages courants aux métaux précieux

Première phase : validation sur des alliages courants

Selon Stanislav Chernyshikhin, directeur du laboratoire de fabrication additive de la NUST MISIS, cette technologie est actuellement en cours de validation sur des alliages courants afin de démontrer l’efficacité de la solution proposée.

Priorité stratégique : fabrication additive de métaux précieux

L’équipe de recherche indique clairement que cette nouvelle méthode sera particulièrement prometteuse pour le recyclage des pièces de fabrication additive en métaux précieux (comme le platine).

Les métaux précieux comme le platine sont coûteux et rares, et jouent un rôle irremplaçable dans les secteurs de l’aérospatiale, de la médecine et de la chimie. Si un recyclage proche de 100 % des métaux précieux peut être réalisé grâce à la nébulisation ultrasonique, cela réduira considérablement le coût des produits dans les secteurs de fabrication haut de gamme.

Potentiel d’industrialisation : réduction des coûts et amélioration de l’efficacité

La poudre métallique sphérique est la matière première centrale de la fabrication additive, et sa granulométrie, sa sphéricité et sa fluidité influencent directement la qualité des pièces imprimées. L’application à grande échelle de cette technologie pourrait permettre :

de réduire le coût des matières premières de la fabrication additive métallique ;

de promouvoir l’industrialisation du recyclage et de la réutilisation des déchets ;

de diminuer la dépendance aux ressources métalliques primaires.

Formation des talents : du laboratoire à l’industrie

Alexandre Komissarov, doyen de l’École d’ingénierie avancée « Science des matériaux, fabrication additive et technologies interdisciplinaires » de la NUST MISIS, ajoute : « La recherche en technologies additives est l’une des orientations prioritaires de la NUST MISIS. Dès leur première année, les étudiants travaillent sur des équipements réels, participent à des travaux de recherche et s’engagent dans des projets des plus grandes entreprises nationales. »

Ce modèle intégré « laboratoire-enseignement-industrie » fournit un soutien continu en talents pour l’itération continue et l’industrialisation de cette technologie.

Redéfinir le « calcul des coûts » de la fabrication additive métallique

La valeur profonde de cette technologie réside dans la redéfinition du coût du cycle de vie complet de la fabrication additive métallique. Auparavant, les structures de support et les pièces défectueuses étaient considérées comme des « coûts irrécupérables » — des poudres métalliques coûteuses investies mais impossibles à recycler. La nébulisation ultrasonique donne à ces déchets une « seconde vie », leur permettant de retourner dans le cycle de production avec une qualité proche de celle de la poudre d’origine.

À une époque où les ressources métalliques clés se raréfient à l’échelle mondiale et où la sécurité des chaînes d’approvisionnement est de plus en plus cruciale, cette technologie offre à l’industrie de la fabrication additive métallique une « clé » pour ouvrir la porte du recyclage en boucle fermée des déchets métalliques de grande valeur.

Comme le démontre l’équipe de la NUST MISIS : lorsque les vibrations ultrasoniques à 50 000 fois par seconde « brisent » non seulement la tension superficielle du métal liquide, mais aussi le modèle linéaire traditionnel « extraction-fabrication-mise au rebut », la fabrication additive métallique passe d’un « art de précision coûteux » à une « fabrication verte et recyclable ».