De nouvelles recherches pourraient aider les fabricants à éviter le piège de l’impression 3D

De nouvelles recherches pourraient aider les fabricants à éviter le piège de l'impression 3D

À l’aide d’une méthode laser, des chercheurs du NIST et d’autres institutions ont imprimé en 3D quatre ponts métalliques miniatures, chacun réalisé avec un motif d’impression différent (lignes et lignes). L’équipe a mesuré les niveaux de tension (rouge) et de compression (bleu) à l’intérieur des ponts dans trois directions différentes, identifiant des niveaux élevés de tension verticale le long des bords de certains spécimens. Crédit: Lawrence Livermore National Laboratory / M. Strantza

Une équipe de recherche a découvert qu’une méthode couramment utilisée pour contourner l’un des plus gros problèmes de l’impression 3D métal peut être loin d’être une solution miracle.

Pour les fabricants, l’impression 3D, ou fabrication additive, permet de construire des pièces de forme complexe plus durables, plus légères et plus respectueuses de l’environnement que celles fabriquées selon des méthodes traditionnelles. L’industrie est en plein essor, certains prévoyant qu’elle doublera de taille tous les trois ans, mais la croissance va souvent de pair avec des difficultés de croissance.

La contrainte résiduelle, sous-produit du chauffage et du refroidissement répétés inhérents aux procédés d’impression sur métal, peut introduire des défauts dans les pièces et, dans certains cas, endommager les imprimantes. Pour mieux comprendre comment la contrainte résiduelle se forme et comment elle pourrait être freinée, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), du Lawrence Livermore National Laboratory, du Los Alamos National Laboratory et d’autres institutions ont examiné de près les effets de différents modèles d’impression sur le titane. pièces en alliage fabriquées selon une méthode laser courante.

Leurs résultats, publiés dans La fabrication additive, montrent qu’un modèle d’impression souvent utilisé dans l’industrie pour diminuer les contraintes résiduelles, appelé balayage des îlots, avait le pire résultat parmi les approches étudiées, défiant les attentes de l’équipe. Les données qu’ils ont produites pourraient aider les fabricants à tester et à améliorer les modèles prédictifs pour l’impression 3D, qui, s’ils sont précis, pourraient les éloigner des niveaux destructeurs de stress résiduel.

«C’était très surprenant et cela souligne la complexité du problème», a déclaré Thien Phan, ingénieur de recherche sur les matériaux au NIST, co-auteur de l’étude. «Cela montre que, bien que la numérisation d’îlots puisse fonctionner dans de nombreux cas, elle n’a pas fonctionné dans le nôtre, ce qui met vraiment en évidence le fait que nous avons besoin d’une modélisation précise.

Les recherches de l’équipe se sont concentrées sur une méthode de fabrication additive courante appelée fusion sur lit de poudre laser (LPBF), dans laquelle un laser balaie une couche de poudre métallique selon un motif prédéterminé, fondant et fusionnant des particules à la surface. Au fur et à mesure que le métal fondu se refroidit en un solide, une étape supportant le matériau s’abaisse et l’imprimante ajoute une nouvelle couche de poudre sur le dessus, permettant au laser de continuer à construire la pièce couche par couche.

Une fois que la deuxième couche d’une construction commence, la tension résiduelle commence à remonter sa tête désagréable. Les métaux utilisés dans le LPBF refroidissent rapidement, ce qui signifie qu’au moment où le laser d’une imprimante commence à chauffer une nouvelle couche, le métal de la couche précédente est déjà solide. Les couches fondues se contractent vers l’intérieur en refroidissant, tirant sur le métal solide en dessous et créant une contrainte. Et plus la différence de température est grande, plus la couche fondue tire. Ce processus se répète pour chaque couche jusqu’à ce que la pièce soit complète, verrouillant les contraintes dans le métal solide.







Une imprimante 3D de type fusion laser en lit de poudre, en action. La fusion laser sur lit de poudre ajoute des couches successives de poudre métallique, puis utilise un laser pour fondre chaque couche en place sur la pièce en cours de création. Crédit: NIST

« Vous vous retrouvez avec une quantité incroyable de contraintes résiduelles à l’intérieur de votre pièce », a déclaré Phan. « Donc il est assis là, se déchirant. La contrainte résiduelle pourrait fissurer la pièce et la soulever pendant la construction, ce qui pourrait en fait faire planter la machine. »

Le modèle d’impression le plus simple dans LPBF est un balayage continu, où le laser balaie dans les deux sens d’une extrémité à l’autre de la pièce. Mais une option alternative appelée scan des îlots est apparue comme un moyen d’atténuer le stress. L’idée derrière cette approche est que la fusion de petites sections, ou îlots, de métal une à la fois plutôt qu’une couche entière entraînerait moins de contraction du métal en même temps, réduisant la contrainte globale.

La numérisation des îlots a gagné en popularité auprès des fabricants, mais les études antérieures sur la technique ont été incohérentes. Et plus largement, la relation entre les stratégies de scan et le stress résiduel reste largement un mystère. Pour commencer à combler ces lacunes, l’équipe multi-institutionnelle a entrepris d’analyser en détail les effets du balayage des îles sur le stress.

Les auteurs de la nouvelle étude ont imprimé quatre ponts en alliage de titane d’un peu plus de 2 centimètres (0,8 pouces) de longueur. Les échantillons ont été construits via un balayage continu ou en îlot, avec des lasers sur leur longueur et leur largeur ou à un angle de 45 degrés.

En un coup d’œil, les ponts semblaient similaires à la sortie de l’imprimante, mais plutôt que de les prendre pour argent comptant, les chercheurs les ont examinés de près.

Ils ont émis des rayons X à haute énergie, générés par un outil puissant appelé synchrotron, profondément dans les échantillons. En mesurant les longueurs d’onde des rayons X réfléchis par le métal, l’équipe a extrait les distances entre les atomes métalliques avec une grande précision. À partir de là, les chercheurs ont calculé le stress. Plus les distances étaient grandes, plus le métal était stressé. Avec ces informations critiques en main, ils ont généré des cartes montrant l’emplacement et le degré de stress dans les échantillons.

Tous les échantillons contenaient des contraintes proches de la limite d’élasticité de l’alliage de titane – le point auquel un matériau subit une déformation permanente. Mais les cartes ont révélé quelque chose d’autre qui a surpris les chercheurs.

De nouvelles recherches pourraient aider les fabricants à éviter le piège de l'impression 3D

Les chercheurs ont testé quatre modèles d’impression différents, les lasers faisant soit fondre le métal en poudre d’avant en arrière en continu, soit en îlots carrés distincts et soit parallèles au côté long de la pièce, soit en diagonale. Crédit: Lawrence Livermore National Laboratory / M. Strantza

« Les échantillons de balayage d’îles ont ces très grandes contraintes sur leurs côtés et sur le dessus, qui sont absentes ou beaucoup moins prononcées dans les échantillons de balayage continu », a déclaré le physicien et co-auteur du NIST, Lyle Levine. « Si la numérisation des îles est un moyen par lequel l’industrie tente d’atténuer ces tensions, je dirais que pour ce cas particulier, elle est loin d’être couronnée de succès. »

Dans un autre test, ils ont détaché une jambe de chaque pont des plaques de base métalliques sur lesquelles il était collé. Les auteurs de l’étude ont mesuré la distance à laquelle les jambes ont jailli vers le haut, obtenant un autre indicateur de la quantité de contrainte résiduelle stockée à l’intérieur de l’arche de chaque pont. Encore une fois, les échantillons de balayage de l’île ont mal fonctionné, leurs pattes se déformant de plus de deux fois plus que les autres échantillons.

Les auteurs proposent que le balayage des îles pourrait être une épée à double tranchant. Bien que la petite taille des îles puisse réduire la contraction, les îles pourraient également refroidir beaucoup plus rapidement que les plus grandes piscines de fonte, créant de plus grandes différences de température et donc une plus grande contrainte.

Bien que la numérisation des îles ne soit pas bien adaptée à la pièce, au matériel et à l’équipement particuliers utilisés dans l’étude, elle pourrait encore être un bon choix dans différentes circonstances, a déclaré Phan. Les résultats indiquent cependant que ce n’est pas une panacée pour le stress résiduel. Pour éviter tout stress, les fabricants peuvent avoir besoin d’adapter la stratégie de numérisation et d’autres paramètres à leur construction spécifique – un effort qui serait grandement facilité par les modèles informatiques.

Plutôt que d’optimiser une impression par essais et erreurs, les fabricants pourraient utiliser des modèles pour identifier rapidement et à moindre coût les meilleurs paramètres, si leurs prévisions sont exactes. Les modélisateurs pourraient renforcer la confiance dans leurs outils en les testant par rapport à des mesures de référence rigoureusement produites, un peu comme les données obtenues dans la nouvelle étude, a déclaré Levine.

Ce travail offre une nouvelle perspective sur une stratégie d’impression populaire, ajoutant une pièce clé au puzzle de la formation de contraintes résiduelles et rapprochant finalement l’impression 3D de son plein potentiel.


Les diodes laser haute puissance peuvent réduire la contrainte résiduelle dans les pièces imprimées en métal 3D


Plus d’information:
M. Strantza et al, Effet de la stratégie de balayage sur la formation de contraintes résiduelles dans le Ti-6Al-4V fabriqué de manière additive, La fabrication additive (2021). DOI: 10.1016 / j.addma.2021.102003

Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lisez l’histoire originale ici.

Citation: Une nouvelle recherche pourrait aider les fabricants à éviter le piège de l’impression 3D (2021, 19 mai) récupéré le 19 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-3d-printing-pitfall.html

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