Les ingénieurs de l’Université du Wisconsin-Madison (UW-Madison) ont réalisé une avancée majeure dans la fabrication additive métallique en atténuant simultanément trois défauts courants. Cette percée, dirigée par le professeur agrégé Lianyi Chen et son équipe de recherche, pourrait ouvrir la voie à une adoption plus large par l’industrie de la fusion laser sur lit de poudre, une technique d’impression 3D de premier plan.
Publiée le 16 novembre 2024 dans l’International Journal of Machine Tools and Manufacture, la recherche détaille comment l’équipe a identifié les mécanismes et optimisé les conditions de traitement pour remédier aux défauts qui affectent depuis longtemps l’impression 3D métallique.
« Les recherches précédentes se concentraient normalement sur la réduction d’un type de défaut, mais cela nécessiterait l’utilisation d’autres techniques pour atténuer les types de défauts restants », a déclaré Chen. « Nous avons développé une approche qui peut atténuer tous les défauts (pores, surfaces rugueuses et grosses éclaboussures) en même temps. De plus, notre approche nous permet de produire une pièce beaucoup plus rapidement sans aucun compromis sur la qualité.
Surmonter les défis de l’impression 3D métal
La fabrication additive métallique offre la possibilité de créer des formes complexes que la fabrication traditionnelle ne peut réaliser. Cela le rend très attractif pour des secteurs comme l’aérospatiale, le médical et l’énergie. Cependant, des défauts tels que des pores (vides), des surfaces rugueuses et de grosses éclaboussures ont considérablement limité la fiabilité et la durabilité des pièces métalliques imprimées en 3D.
Ces défauts sont particulièrement problématiques pour les applications où la défaillance d’une pièce n’est pas une option. La méthode de l’équipe UW-Madison améliore non seulement la qualité, mais augmente également la vitesse de production, répondant ainsi à deux défis critiques dans la fusion laser sur lit de poudre.
Le rôle du faisceau laser en forme d’anneau
La percée reposait sur le remplacement du faisceau laser traditionnel de forme gaussienne par un faisceau laser innovant en forme d’anneau, fourni par nLight, une entreprise leader dans le domaine de la technologie laser. Cette nouvelle forme de faisceau a joué un rôle crucial dans la réduction des instabilités du processus lors de l’impression.
Les chercheurs ont utilisé l’imagerie par rayons X synchrotron à grande vitesse à la source de photons avancée du laboratoire national d’Argonne pour observer le comportement des matériaux pendant l’impression. En combinant ces connaissances avec des analyses théoriques et des simulations numériques, l’équipe a identifié des mécanismes qui atténuent les défauts et stabilisent le processus de fusion sur lit de poudre laser.
Productivité améliorée sans compromis sur la qualité
Le faisceau laser en forme d’anneau a également permis une pénétration plus profonde du matériau sans provoquer d’instabilité, permettant ainsi à l’équipe d’imprimer des couches de métal plus épaisses. Cet ajustement a considérablement augmenté la productivité de la fabrication sans sacrifier la qualité.
« Parce que nous avons compris les mécanismes sous-jacents, nous avons pu identifier plus rapidement les bonnes conditions de traitement pour produire des pièces de haute qualité à l’aide du faisceau en forme d’anneau », a déclaré Chen.
Cette combinaison d’atténuation des défauts et d’augmentation de la productivité a le potentiel de transformer la fabrication de pièces métalliques hautes performances, en particulier pour les industries exigeant une fiabilité sans panne.
Le travail d’équipe et l’innovation propulsent l’impression 3D métal vers l’avant
Ce travail innovant a été rendu possible grâce à la collaboration entre des chercheurs de l’UW-Madison, dont Qilin Guo, Luis Escano, Ali Nabaa et le professeur Tim Osswald, aux côtés des experts Samuel Clark et Kamel Fezzaa du Laboratoire national d’Argonne. Soutenue par un financement de la National Science Foundation et de la Wisconsin Alumni Research Foundation, l’équipe a relevé les défis critiques de la fabrication additive métallique.
En s’attaquant simultanément aux défauts tels que les pores, les surfaces rugueuses et les éclaboussures, les chercheurs ont non seulement amélioré la qualité des pièces, mais ont également obtenu des améliorations significatives de la productivité. Cette avancée établit une nouvelle norme en matière de fiabilité et d’efficacité de la fusion laser sur lit de poudre, la rendant plus viable pour les applications critiques dans des secteurs tels que l’aérospatiale, le médical et l’énergie.
Le faisceau laser innovant en forme d’anneau et les mécanismes d’atténuation des défauts découverts par l’équipe ont le potentiel de favoriser une adoption industrielle plus large de l’impression 3D métallique, améliorant ainsi la production de composants de haute qualité et sans panne.
Source : Engineering.wisc.edu
