LabCom OPTIMA

Abstract
The range of metal materials offered for additive manufacturing (AM) remains limited while there is a real expectation of new materials for lighter metal devices or metal matrix composites with new or improved properties, particularly in related sectors such as the automotive, nuclear, aeronautical, and medical industries. The work planned as part of the OPTIMAA proposal will not only provide new material solutions (powders and bulk materials and protypes) but also improve the degree of maturity of these solutions to resolve the following issues: in the medical field, we will offer a new material (ZTM14N) to replace pure titanium and TA6V (stiffer than bone, presence of toxic elements…). In the aeronautical field, a composite material solution based on TA6V and zirconium oxide to replace TA6V (low fatigue resistance). In the aerospace sector, a replacement material solution for zirconium (ZTP20Z) will also be implemented. To do this, the triptych “AM process—microstructure—properties (and performance) will be at the center of the work of LabCom OPTIMA.

Objectifs globaux, verrous scientifiques et techniques
Les matériaux développés par FA, en particulier les alliages de titane comme le TA6V, dominent les marchés médicaux et aéronautiques. Cependant, le TA6V présente des inconvénients tels que la toxicité des éléments d’alliage et sa rigidité comparée à l’os, ainsi que des limitations en termes de fatigue et de résistance mécanique pour l’aéronautique. Pour résoudre ces problèmes, Z3DLAB a créé des poudres innovantes comme ZTM14N (pour le médical), ZTP10 (pour la résistance à la fatigue) et ZTP20Z (pour les milieux extrêmes). Ces matériaux ont démontré des perspectives intéressantes en laboratoire, mais une optimisation des paramètres de fusion par FA et un post-traitement par CIC sont indispensables pour un déploiement à l’échelle industrielle. Le projet LabCom OPTIMAA s’appuie sur les objectifs de développement de Z3DLAB et sur l’expertise du LSPM, en particulier dans la métallurgie physique et la métallurgie des poudres, pour optimiser ces matériaux et leurs performances
Solution ZTM14N (Ti19Nb14Zr) : Une fois les propriétés mécaniques (Axe 2) de ce matériau biocompatible validées (TRL actuel 5), l’objectif sera de développer un applicatif de ce matériau, en particulier dans le domaine des implants dentaires. L’objectif ultime envisagé sera de partir à la conquête du marché des implants médicaux, qui à l’heure actuelle représente 11 % du marché de la FA (totalisant 21 milliards de dollars en 2020). Cependant, l’obstacle principal réside dans l’obtention des certifications nécessaires (CE et FDA) pour valider les processus de fabrication de la poudre, la méthode de mise en œuvre et le produit fini, ce qui peut être un processus long et coûteux.
Solution ZTP10 (TA6V1Zr0.3O) : Actuellement ce matériau est à TRL 6. Une étude complète de son comportement en fatigue ainsi que de fluage sera nécessaire afin de passer au TRL 7, une partie de ces études a déjà commencé, mais il reste des points à améliorer, notamment sur la partie de post-traitement CIC. L’objectif est d’obtenir une pièce d’application finale qui répond aux normes du marché aéronautique.
Solution ZTP20Z (TA6V20Zr) : Ce nouveau matériau est très récent et nécessite un travail plus poussé que le ZTP10 et ZTM14N. En effet, le TRL de ce matériau est de 4. Une première faisabilité pour réduire le coût de revient doit se faire en amont.