Des chercheurs font progresser la technologie d’impression 3D métal pour les applications automobiles, énergétiques et biomédicales

Une équipe de chercheurs de l’Université de Toronto, dirigée par le professeur Yu Zou de la Faculté des sciences appliquées et de l’ingénierie, travaille à faire progresser le domaine de la fabrication additive métallique dans le premier laboratoire d’impression 3D métallique de l’université.

La technologie, qui utilise la conception assistée par ordinateur (CAO) pour construire des matériaux couche par couche, peut améliorer la fabrication dans les industries aérospatiale, biomédicale, énergétique et automobile.

“Nous travaillons à découvrir la physique fondamentale derrière le processus de fabrication additive, ainsi qu’à améliorer sa robustesse et à créer de nouveaux matériaux structurels et fonctionnels grâce à ses applications”, explique Zou, professeur adjoint au département de science et génie des matériaux.

Contrairement à la fabrication traditionnelle, dans laquelle les pièces ou les composants sont fabriqués à partir de matériaux en vrac, le processus d’impression 3D métallique permet d’adapter localement la microstructure et la constitution des matériaux, ce qui signifie qu’ils peuvent présenter des propriétés distinctes.

“Par exemple, les implants médicaux nécessitent des matériaux ressemblant à des os humains qui sont denses et durs à l’extérieur, mais poreux à l’intérieur”, explique Xiao Shang, titulaire d’un doctorat. candidat dans le laboratoire de Zou. “Avec la fabrication traditionnelle, c’est vraiment difficile à accomplir, mais l’impression sur métal vous donne beaucoup plus de contrôle et des produits personnalisés.”

Les techniques de fabrication soustractives impliquent généralement l’enlèvement de matière afin d’obtenir un produit final souhaité. La fabrication additive, en revanche, construit de nouveaux objets en ajoutant des couches de matériau. Ce processus réduit considérablement le temps de production, le coût des matériaux et la consommation d’énergie lors de la production d’objets tels que des composants de moteurs aérospatiaux, des pièces d’outillage pour la production automobile, des composants critiques pour les réacteurs nucléaires et des implants articulaires.

Les imprimantes 3D métalliques de Zou sont conçues pour se spécialiser à la fois dans la fusion laser sélective et le dépôt d’énergie dirigée, deux techniques essentielles de fabrication additive métallique utilisées à la fois dans le milieu universitaire et dans l’industrie.

Tout d’abord, un logiciel de CAO est utilisé pour créer un modèle 3D de l’objet et de ses calques. Ensuite, pour chaque couche, la machine dépose une très fine couche de poudre métallique, qui est ensuite fondue par un laser puissant selon la géométrie définie par le modèle 3D.

Une fois le métal en fusion solidifié, il adhère à la couche précédente ou au substrat. Une fois que chaque couche est terminée, la machine répétera le processus de dopage de poudre et de fusion au laser jusqu’à ce que toutes les couches soient imprimées et que l’objet soit terminé.

“Les techniques de fabrication conventionnelles sont toujours bien adaptées à la fabrication industrielle à grande échelle”, déclare Tianyi Lyu, titulaire d’un doctorat. candidat en science et génie des matériaux. “Mais la fabrication additive a des capacités qui vont au-delà de ce que les techniques conventionnelles peuvent faire. Celles-ci incluent la fabrication de géométries complexes, le prototypage rapide et la personnalisation des conceptions, et le contrôle précis des propriétés des matériaux.”

Par exemple, les professionnels dentaires peuvent utiliser la fusion laser sélective pour créer des prothèses dentaires ou des implants personnalisés pour des patients spécifiques via un modèle 3D précis avec une précision dimensionnelle de quelques micromètres. Le prototypage rapide permet également des ajustements faciles de la conception de la prothèse. Et puisque les implants peuvent nécessiter des propriétés de matériaux différentes à des endroits distincts, cela peut être réalisé en modifiant simplement les paramètres du processus.

L’équipe applique également de nouvelles méthodes expérimentales et analytiques pour mieux comprendre les procédés d’impression par fusion sélective au laser et par dépôt d’énergie dirigée. Actuellement, leurs recherches se concentrent sur les aciers avancés, les superalliages à base de nickel et les alliages à haute entropie, et ils pourraient s’étendre pour explorer les alliages de titane et d’aluminium à l’avenir.

« Aujourd’hui, l’un des principaux goulots d’étranglement de la conception d’alliages conventionnels est le temps de traitement important nécessaire pour créer et tester de nouveaux matériaux. Ce type de conception à haut débit n’est tout simplement pas possible pour les méthodes de fabrication conventionnelles », déclare Ajay Talbot, étudiant à la maîtrise en science et génie des matériaux.

Avec des techniques de fabrication additive telles que le dépôt d’énergie dirigée, l’équipe augmente rapidement la quantité de systèmes d’alliages explorés, modifiant la composition des matériaux pendant le processus d’impression en ajoutant ou en retirant certains éléments.

“Nous travaillons également vers une fabrication intelligente. Lors du processus d’impression 3D métal, l’interaction entre un laser à haute énergie et le matériau ne dure que quelques microsecondes. Cependant, dans ce délai limité, des phénomènes multi-échelles et multi-physiques prennent endroit », explique Jiahui Zhang, un Ph.D. candidat en science et génie des matériaux. “Notre principal défi est d’obtenir des données pour capturer ces phénomènes.

“Dans nos recherches, nous avons réussi à personnaliser des méthodes d’apprentissage automatique spécifiques pour différentes parties du cycle de vie de la fabrication additive métallique.”

Dans le laboratoire, des systèmes de caméras infrarouges à grande vitesse sont intégrés directement dans les imprimantes 3D métal. L’équipe a également construit un système de surveillance in situ basé sur les images prises par l’imprimeur pour analyser et extraire les caractéristiques clés des objets imprimés.

“Avec le développement de la vision par ordinateur, un modèle d’apprentissage en profondeur bien formé pourrait accomplir automatiquement certaines tâches de base que les systèmes visuels humains peuvent effectuer, telles que la classification, la détection et la segmentation”, ajoute Zhang.

L’un des problèmes des processus de fabrication additive actuels est la construction d’une imprimante 3D robuste et fiable capable de fournir des pièces de haute qualité constantes. À cette fin, l’équipe travaille activement à appliquer l’apprentissage automatique et la vision par ordinateur pour développer un système d’impression 3D contrôlé en boucle fermée entièrement autonome qui peut détecter et corriger les défauts qui apparaîtraient autrement dans les pièces fabriquées via la fabrication additive. La mise en œuvre de ces systèmes pourrait considérablement élargir l’adoption des systèmes de fabrication additive métallique dans l’industrie, déclare Zou.

Depuis le développement des capacités d’impression sur métal du laboratoire, Zou et son équipe ont établi des partenariats avec des laboratoires de recherche gouvernementaux, dont le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et de nombreuses entreprises canadiennes, dont Oetiker Limited, Mech Solutions Ltd., EXCO Engineering et Magna International.

« L’impression 3D métallique a le potentiel de révolutionner la fabrication telle que nous la connaissons », déclare Zou, qui propose un cours de fabrication additive accessible aux étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs. « Avec des systèmes autonomes robustes, le coût d’exploitation de ces systèmes peut être considérablement réduit, ce qui permet d’adopter plus largement la fabrication additive métallique dans les industries du monde entier. Le processus réduit également le gaspillage de matériaux et d’énergie, conduisant à une industrie manufacturière plus durable.