Des chercheurs japonais de l’Université d’Hiroshima ont mis au point une technique d’impression 3D permettant de fabriquer du carbure de tungstène-cobalt, matériau ultra-dur utilisé dans l’industrie, tout en préservant ses propriétés mécaniques exceptionnelles. Leur innovation, développée en collaboration avec Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation réduit considérablement le gaspillage de matière première et ouvre la voie à de nouvelles possibilités de conception.
La fabrication additive vient de franchir une étape significative dans le domaine des matériaux industriels. Une équipe de scientifiques japonais a réussi à imprimer en trois dimensions du carbure de tungstène-cobalt, ce composé réputé pour sa dureté extrême, sans altérer ses propriétés mécaniques fondamentales. L’avancée technique pourrait modifier en profondeur les méthodes de production d’outils de coupe et d’équipements spécialisés.
Un matériau notoirement difficile à travailler
Le carbure de tungstène-cobalt occupe une place particulière dans le paysage industriel. Sa résistance à l’usure et sa dureté exceptionnelle en font un matériau de choix pour la fabrication d’outils de coupe, de matrices et de pièces soumises à des contraintes mécaniques intenses. Pourtant, ces mêmes qualités représentent un obstacle majeur à sa mise en forme. Les procédés traditionnels, basés sur la métallurgie des poudres, exigent des pressions considérables et des cycles de frittage prolongés, générant inévitablement des pertes de matière première et limitant les possibilités de conception.
« Les carbures cémentés sont des matériaux extrêmement durs utilisés pour les arêtes d’outils de coupe et des applications similaires, mais ils sont fabriqués à partir de matières premières très coûteuses telles que le tungstène et le cobalt, ce qui rend la réduction de l’utilisation de matériaux hautement souhaitable », explique Keita Marumoto, professeur assistant à l’École supérieure des sciences et de l’ingénierie avancées de l’Université d’Hiroshima, qui a dirigé les travaux. « En utilisant la fabrication additive, le carbure cémenté peut être déposé uniquement là où il est nécessaire, réduisant ainsi la consommation de matériaux. »
L’innovation technique : ramollir plutôt que fondre
La méthode développée par l’équipe japonaise repose sur un principe subtil. Plutôt que de soumettre le matériau à une fusion complète, ce qui risquerait de dégrader sa structure cristalline et ses propriétés mécaniques, les chercheurs ont opté pour un ramollissement contrôlé. L’approche utilise l’irradiation laser à fil chaud, combinant un faisceau laser avec un fil d’apport préchauffé. L’objectif est d’atteindre une température suffisante pour permettre la liaison des particules sans provoquer la décomposition du carbure de tungstène.
Les travaux, menés en partenariat avec Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation, ont permis d’obtenir des pièces présentant une dureté supérieure à 1400 HV, une valeur qui se situe juste en dessous de celle de matériaux comme le saphir ou le diamant. L’étude, dont les résultats ont été publiés en ligne en décembre 2025 et dont la version imprimée est attendue pour avril 2026, détaille deux méthodes de fabrication testées avec succès.
Les clés du succès : contrôle thermique et couche intermédiaire
Le succès de leur technique repose sur deux éléments déterminants :
- Un contrôle extrêmement précis des températures, maintenues au-dessus du point de fusion du cobalt mais en dessous du seuil de croissance des grains du carbure de tungstène
- L’utilisation d’une couche intermédiaire à base d’alliage de nickel, qui facilite l’adhésion et prévient la formation de défauts
La maîtrise des paramètres thermiques a permis d’éviter les phénomènes de fissuration et de décomposition qui compromettent habituellement les tentatives de fabrication additive de ce type de matériau. « L’approche consistant à former des matériaux métalliques en les ramollissant plutôt qu’en les faisant fondre complètement est novatrice, et elle pourrait s’appliquer non seulement aux carbures cémentés, qui étaient au cœur de cette étude, mais aussi à d’autres matériaux », souligne Marumoto.
Un contexte industriel en mutation
La percée technique arrive dans un mouvement plus large de transformation des méthodes de production industrielle. L’industrie manufacturière est confrontée à une double exigence : réduire son empreinte environnementale tout en maintenant, voire en améliorant, la performance des produits. La fabrication additive répond partiellement à ce défi en limitant le gaspillage de matière première, mais son application aux matériaux ultra-durs restait jusqu’à présent problématique.
La possibilité d’imprimer du carbure de tungstène-cobalt ouvre des perspectives intéressantes pour le secteur des outils de coupe et des équipements soumis à forte usure. L’industrie manufacturière, en particulier la fabrication d’outils de coupe, pourrait bénéficier de cycles de production plus courts et de géométries plus complexes, difficilement réalisables avec les méthodes traditionnelles. Le secteur de la mécanique de précision, quant à lui, pourrait développer des outils de coupe aux géométries optimisées, difficilement réalisables avec les méthodes traditionnelles.
Défis techniques et orientations futures
Malgré ces résultats prometteurs, plusieurs obstacles techniques demeurent. L’équipe de recherche identifie deux axes principaux de développement : la gestion des phénomènes de fissuration, particulièrement critiques pour les pièces de grandes dimensions, et la fabrication de géométries plus complexes. Les travaux futurs se concentreront sur plusieurs fronts :
- La production effective d’outils de coupe par impression 3D
- L’exploration de systèmes de matériaux alternatifs présentant des propriétés similaires
- L’amélioration de la durabilité des pièces imprimées pour répondre aux exigences des applications industrielles les plus exigeantes
La collaboration avec Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation suggère une orientation clairement industrielle de ces recherches. L’implication d’un acteur majeur du secteur des matériaux durs indique que cette technologie pourrait rapidement trouver des applications concrètes dans les chaînes de production.
