Nouvelles perspectives sur l’impression 3D des métaux

Des scientifiques présentent de nouvelles perspectives sur l'impression 3D des métaux

L’image montre l’évolution du panache laser et de la dépression. Crédit : Université Heriot-Watt

L’impression 3D a ouvert de nouvelles voies passionnantes pour les ingénieurs et contraint les concepteurs de produits à réinventer ce qui est possible. La capacité d’imprimer des pièces métalliques complexes à l’aide d’alliages avancés partout dans le monde est sans aucun doute impressionnante, mais pas sans défauts.

Aujourd’hui, des scientifiques de l’Université Heriot-Watt, en collaboration avec l’Université Carnegie-Mellon et le Laboratoire national d’Argonne des États-Unis, ont jeté un nouvel éclairage sur ce processus, qui promet de rendre l’impression 3D métallique de plus en plus viable pour les fabricants et une option plus durable.

La fabrication additive, le nom technique de l’impression 3D, englobe une variété de techniques de traitement des matériaux, la plus largement adoptée d’entre elles étant la fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Il fonctionne en étalant de fines couches de particules de poudre métallique qui sont liées ensemble par une chaleur intense délivrée par des lasers à haute puissance. Mais ce processus peut entraîner la formation de minuscules pores qui affaiblissent la structure globale.

Ceci est un inconvénient majeur pour l’industrie, en particulier lorsque des composants hautement fiables sont requis de manière constante. Au cours des trois dernières années, des scientifiques de l’Institut de photonique et des sciences quantiques de l’Université Heriot-Watt d’Édimbourg ont mené un projet de recherche qui a examiné la physique fondamentale derrière le processus LPBF et comment cette compréhension peut être utilisée pour atténuer les défauts dans les imprimés. les pièces.

Le Dr Ioannis Bitharas, chercheur associé à l’Institut de photonique et des sciences quantiques d’Heriot-Watt, explique : “Notre recherche visualise l’interaction entre tous les états de la matière présents lorsqu’un laser interagit avec des particules métalliques.

“Pendant le processus de fabrication additive, l’application d’un laser haute puissance sur le métal se traduira par un petit bassin de métal liquide lorsque les particules fusionnent. Au cours de cette étape, une quantité infime de métal s’évapore et se presse contre le liquide, créant un cavité au centre du bain de fusion. Cette cavité, souvent appelée trou de serrure, peut devenir instable et s’effondrer, entraînant la formation de pores dans le matériau. En même temps, la vapeur s’élève du trou de serrure, formant un panache qui interagit avec les particules et peut potentiellement perturber la couche étalée.

“De tels événements créent de minuscules imperfections dispersées dans tout le composant et, par conséquent, un niveau de porosité du matériau inacceptable pour de nombreux fabricants.

“Les images que nous avons capturées fournissent, pour la première fois, une image complète de ces interactions et nous pouvons maintenant dire avec certitude ce qui se passe.”

En utilisant simultanément les rayons X et l’imagerie schlieren, l’équipe a analysé l’interaction entre les phases gaz, vapeur, liquide et solide présentes au cours du processus d’impression. Ils ont trouvé un lien direct entre le comportement du panache de vapeur libéré par l’évaporation du métal et la stabilité globale du matériau en fusion. Plus le panache est dynamique, plus le matériau est instable et poreux. Mais en affinant les paramètres du laser, tels que l’ajustement de sa puissance, de la taille du point focalisé et de la vitesse de balayage, l’équipe a découvert qu’elle pouvait contrôler la stabilité du panache et du bain de fusion, rendant la structure imprimée beaucoup plus cohérente.

L’utilisation du panache comme une “signature de processus” qui peut être visualisée et surveillée offre un nouveau potentiel passionnant pour une variété d’industries qui s’appuient sur des composants haute performance tels que l’aérospatiale, l’automobile, la santé et la défense,

Le professeur Andrew Moore dirige le groupe de diagnostic optique à l’Institut de photonique et des sciences quantiques de l’Université Heriot-Watt et a été impliqué dans ce projet de recherche depuis le début. Il a déclaré : « Bien qu’ils soient très prometteurs, les défauts des pièces imprimées empêchent toujours la fabrication additive métallique de réaliser son potentiel. La recherche s’est jusqu’à présent concentrée sur la détection et la prédiction des défauts en fonction du comportement du métal liquide ou des particules, négligeant souvent les effets du jet de vapeur et panache générés au-dessus du bain de fusion.

“Ce que nous avons découvert offre de nouvelles perspectives passionnantes pour l’impression 3D : nous pouvons réduire considérablement ces imperfections et produire des composants qui sont beaucoup moins susceptibles de tomber en panne. Nous pensons que ce travail permettra la création d’outils de surveillance et d’analyse de processus améliorés qui identifient et préviennent les défauts. dans la fabrication additive des métaux. De plus, il sous-tendra une classe plus prédictive de modèles multiphysiques qui incluent les effets atmosphériques et le mouvement des poudres, permettant des calculs a priori précis des cartes de processus.

Ce travail a été en partie soutenu par Renishaw, le seul fabricant britannique de systèmes LPBF, dans le cadre de son alliance stratégique avec l’Université Heriot-Watt. L’équipe continuera à collaborer avec Renishaw pour utiliser ces nouvelles connaissances afin d’améliorer les machines d’impression 3D du futur.

L’article de recherche de l’équipe Heriot-Watt, intitulé « The interplay between vapor, liquid, and solid phases in laser powder bed fusion », a été publié dans la revue scientifique Communication Nature.


Les ultrasons à base de laser détectent les caractéristiques produisant des défauts dans l’impression 3D métal


Plus d’information:
I. Bitharas et al, L’interaction entre les phases vapeur, liquide et solide dans la fusion laser sur lit de poudre, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-30667-z

Fourni par l’Université Heriot-Watt

Citation: Nouvelles perspectives sur l’impression 3D des métaux (2022, 30 mai) récupéré le 30 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-insights-3d-metals.html

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