Une équipe de recherche crée une plateforme robotique automatisée pour étudier en détail le métal imprimé en 3D

De la fibre de carbone au béton et au bambou, la fabrication additive – le terme industriel pour l’impression 3D – utilise de nombreux matériaux et techniques différents. Aujourd’hui, avec un besoin important de décarbonisation et de chaînes d’approvisionnement alternatives pour convertir les matières premières en produits finis, le métal imprimé en 3D pourrait avoir un impact important sur l’avenir de la fabrication.

Une technique clé de la fabrication additive métallique consiste à “imprimer” ou à créer des couches sur des couches de soudures métalliques pour construire un objet. Il offre une alternative plus personnalisable et à la demande aux méthodes traditionnelles qui impliquent de verser du métal en fusion dans un moule ou d’usiner ou de couper du métal pour créer une forme. Mais développer de nouvelles technologies, c’est aussi résoudre de nouveaux problèmes.

C’est pourquoi les chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du Département de l’énergie (DOE) ont créé une plate-forme robotique automatisée unique en son genre qui leur permet d’étudier le comportement microscopique des soudures métalliques additives en temps réel pendant leur Étant créé. Des informations sur la façon dont les soudures se forment et se comportent à une si petite échelle aideront à affiner la technologie pour une utilisation courante.

“La fabrication additive métallique est une approche nouvelle et passionnante pour fabriquer des matériaux hautes performances non conventionnels qui autrement ne seraient pas possibles, ou du moins seraient très difficiles”, a déclaré Alex Plotkowski, chef de projet de l’ORNL. « C’est très pertinent, par exemple, dans les industries aérospatiale et automobile, qui nécessitent des pièces complexes légères et très résistantes. De même, pour l’industrie de l’outillage et des matrices, c’est important pour fabriquer des outils compliqués avec des délais courts.

Plotkowski dirige une équipe de recherche qui conçoit et déploie le système de fabrication de métal expérimental utilisé à l’instrument de diffraction d’ingénierie VULCAN à la source de neutrons à spallation (SNS) de l’ORNL. Le SNS est une installation de recherche de classe mondiale alimentée par un accélérateur linéaire de particules qui utilise des faisceaux de neutrons pour étudier les matériaux à l’échelle atomique.

Le système de plate-forme expérimentale s’appelle OpeN-AM, avec OpeN étant l’abréviation de neutrons operando, un terme désignant l’utilisation de neutrons pour étudier quelque chose pendant qu’il fonctionne, et AM pour la fabrication additive.

La principale caractéristique de la plate-forme est un bras robotique articulé à 6 axes pouvant être équipé d’une torche de soudage ou d’un laser. Le premier, connu sous le nom de système à arc filaire, fonctionne en faisant passer un fil à travers l’extrémité de la torche. Lorsque le fil entre en contact avec le substrat, un courant électrique est appliqué qui fait fondre le fil et crée la soudure. Alternativement, le laser fonctionne en faisant fondre le substrat dans un bain de métal liquide dans lequel une charge d’alimentation en fil ou en poudre est incorporée pour créer la soudure.

À côté du bras robotique se trouve une machine CNC ou à commande numérique par ordinateur. Les machines CNC sont utilisées pour couper des pièces très complexes avec un niveau de précision impossible à obtenir avec une approche manuelle. La combinaison de la machine CNC et d’OpeN-AM fait du système un hybride de techniques de fabrication additives et soustractives : la tête de dépôt robotisée ajoute de la matière et la machine CNC en retire.

Le système est monté sur une plate-forme réglable qui s’élève et pivote, offrant des degrés de liberté supplémentaires pour collecter des données le long des plans X, Y et Z. La plate-forme est également équipée de canaux de refroidissement qui abaissent la température du métal pour permettre l’étude de différentes conditions et accélérer la caractérisation des soudures à température ambiante.

La fabrication additive hybride présente des avantages significatifs dans sa capacité à fabriquer des composants complexes rapidement et efficacement ; cependant, le processus est très dynamique et n’est pas complètement compris. Les matériaux alternent entre des états liquides et solides car ils sont exposés à des fluctuations extrêmes de température, créant des déformations permanentes ou des imperfections microscopiques, appelées contraintes résiduelles.

Les contraintes résiduelles peuvent souvent compromettre les performances du matériau et entraîner des fissures ou des défaillances inattendues. D’autre part, avec une meilleure compréhension de la façon dont le stress résiduel est créé, les scientifiques pourraient induire intentionnellement du stress pour créer des avantages de performance.

“Il n’y a que peu de choses que vous pouvez apprendre sur un matériau après qu’il a été traité à l’aide d’outils de caractérisation traditionnels. L’objectif du projet OpeN-AM est de fournir une nouvelle façon plus avancée de caractériser le processus qui nous permet de voir à l’intérieur des matériaux pendant qu’ils sont en cours de production », a déclaré Plotkowski.

“Les expériences neutroniques sont un élément clé qui nous permet d’observer et de mesurer les changements dans les matériaux, tels que la température, la façon dont les transformations de phase se produisent et la façon dont les distributions des contraintes résiduelles évoluent. Ces informations sont essentielles pour optimiser la technologie de fabrication des matériaux. avec des performances améliorées », a-t-il ajouté.

Les neutrons sont un outil de recherche idéal pour ces expériences car ils peuvent pénétrer ou traverser presque tous les matériaux, y compris les métaux denses. Alors que d’autres techniques de recherche sont mieux adaptées pour observer de près la surface des matériaux, les neutrons permettent aux chercheurs de scruter profondément les métaux avec des atomes densément emballés pour un regard sans précédent sur la dynamique interne d’un matériau.

La forge à neutrons

Nommé d’après le dieu romain du travail des métaux, l’instrument VULCAN de SNS est parfaitement adapté pour étudier la résistance des alliages métalliques. La ligne de faisceau de neutrons mesure la distance entre les atomes dans les métaux lorsqu’ils sont exposés à des degrés extrêmes de température et de pression, révélant comment et où le stress se produit. VULCAN dispose également d’une zone de travail suffisamment grande pour étudier des applications industrielles, telles qu’un moteur de taille normale.

Au cours de leurs expériences, l’équipe a imprimé (ou soudé) du métal dans des formes simples avec des couches superposées de soudures créées à l’aide de différents motifs. Dans certaines itérations, ils ont fait varier les températures et d’autres conditions de processus pour induire différentes transformations de phase et différents modèles de contrainte. Les données neutroniques recueillies au cours des expériences aideront à éclairer les relations entre l’approche de traitement, le comportement du matériau et l’évolution de la contrainte résiduelle.

En plus de collecter les données du faisceau de neutrons, plusieurs caméras haute résolution et infrarouges installées autour de la plate-forme ont enregistré et comparé les différentes distributions de température à l’intérieur des matériaux au fil du temps.

Réduire le temps et les problèmes avec le Big Data

Du début à la fin, chaque cycle d’expérience est entièrement automatisé par un logiciel personnalisé. D’une simple pression sur un bouton, le logiciel synchronise chaque composant de l’expérience, y compris le soudage robotisé, le mouvement de la plate-forme, l’usinage CNC, le refroidissement actif et la collecte de données à partir des caméras périphériques et du faisceau de neutrons.

“L’un des plus grands défis avec ce type d’expériences est le temps. Traditionnellement, les données sur les neutrons doivent être collectées dans chaque région de l’échantillon, ce qui peut facilement représenter plusieurs centaines d’emplacements. Cela nécessite de suspendre l’expérience à chaque point pendant environ 30 secondes. , par exemple. Cela pourrait prendre 8 à 10 heures et créer un sérieux goulot d’étranglement dans la productivité, et nous n’avons qu’un temps limité sur l’instrument », a déclaré Plotkowski.

“C’est là qu’intervient l’intelligence artificielle. L’équipe a développé un algorithme d’IA qui prend un sous-ensemble de données et décide quels points de données collecter ensuite. Un signal est ensuite envoyé à la plate-forme, qui déplace automatiquement l’échantillon vers une nouvelle position pour le mesurer. avec le faisceau de neutrons. Cette procédure nous permet également de nous concentrer automatiquement sur les régions avec les données les plus précieuses et de contourner les régions qui sont moins susceptibles de produire de nouvelles informations, ce qui nous fait gagner du temps et du stockage.

Les expériences nécessitent une puissance de calcul importante. Une seule expérience peut générer environ 1 téraoctet de données, sans compter les données sur les neutrons, ce qui est une autre raison pour laquelle l’IA est un élément essentiel du système. L’algorithme peut estimer les caractérisations des contraintes résiduelles en environ un tiers du temps qu’il faudrait généralement avec la technologie traditionnelle. Cela signifie que de nombreuses autres expériences peuvent être exécutées pendant le temps imparti sur l’instrument à neutrons, et cela offre également aux chercheurs la flexibilité de prendre des décisions et des ajustements aux expériences.

“Ce type d’expériences ne peut vraiment être réalisé qu’à VULCAN. Les détecteurs améliorés de l’instrument doublent essentiellement le nombre de neutrons pouvant être comptés, ce qui signifie qu’il fournit une agrégation de données incroyablement rapide”, a déclaré Ke An, scientifique de l’instrument VULCAN de l’ORNL. “Nous pouvons collecter des données jusqu’à des échelles de temps inférieures à la seconde, ce qui est essentiel pour étudier la dynamique dans des environnements aussi extrêmes.

“Et la technique de temps de vol activée par l’accélérateur à faisceau pulsé SNS nous permet de faire des études résolues dans le temps pour voir de première main comment les matériaux changent au fil du temps. Ce système fournit un ensemble de données riche pour le développement et la validation de modèles informatiques qui aidera l’industrie à utiliser la fabrication additive pour mieux contrôler le stress et construire de meilleurs composants. Aucun autre endroit au monde n’offre ces capacités à ce niveau de sophistication.