Les chercheurs n’ont pas encore complètement fait de la fabrication additive, ou impression 3D, de métaux une science. Des lacunes dans notre compréhension de ce qui se passe dans le métal au cours du processus ont rendu les résultats incohérents. Mais une nouvelle avancée pourrait permettre un niveau de maîtrise sans précédent de l’impression 3D métal.

À l’aide de deux accélérateurs de particules différents, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), du KTH Royal Institute of Technology en Suède et d’autres institutions ont étudié la structure interne de l’acier lors de sa fusion puis de sa solidification lors de l’impression 3D. Les résultats, publiés dans  Acta Materiali ,  débloquent un outil informatique destiné aux professionnels de l'impression 3D, leur offrant une plus grande capacité à prédire et à contrôler les caractéristiques des pièces imprimées, améliorant potentiellement la cohérence et la faisabilité de la technologie pour la fabrication à grande échelle.  

Une approche courante pour l’impression de pièces métalliques consiste essentiellement à souder des pools de poudre de métal avec des lasers, couche par couche, pour obtenir la forme souhaitée. Au cours des premières étapes de l’impression avec un alliage métallique, au cours desquelles le matériau chauffe et refroidit rapidement, ses atomes – qui peuvent être une poignée de différents éléments – se regroupent en formations cristallines ordonnées. Les cristaux déterminent les propriétés, telles que la ténacité et la résistance à la corrosion, de la pièce imprimée. Différentes structures cristallines peuvent émerger, chacune avec ses propres avantages et inconvénients.

"Fondamentalement, si nous pouvons contrôler la microstructure pendant les étapes initiales du processus d'impression, nous pouvons alors obtenir les cristaux souhaités et, finalement, déterminer les performances des pièces fabriquées de manière additive", a déclaré Fan Zhang, physicien du NIST, co-auteur de l'étude.

Bien que le processus d’impression gaspille moins de matériaux et puisse être utilisé pour produire des formes plus complexes que les méthodes de fabrication traditionnelles, les chercheurs ont eu du mal à comprendre comment orienter le métal vers certains types de cristaux plutôt que vers d’autres. 

Ce manque de connaissances a conduit à des résultats peu souhaitables, comme des pièces aux formes complexes qui se fissurent prématurément en raison de leur structure cristalline. 

"Parmi les milliers d'alliages couramment fabriqués, seule une poignée peut être fabriquée par fabrication additive", a déclaré Zhang.

Une partie du défi pour les scientifiques réside dans le fait que la solidification lors de l’impression 3D métallique se produit en un clin d’œil. 

Pour capturer le phénomène à grande vitesse, les auteurs de la nouvelle étude ont utilisé de puissants rayons X générés par des accélérateurs de particules cycliques, appelés synchrotrons, à la source de photons avancée du Laboratoire national d'Argonne   et à la  source de lumière suisse de l'Institut Paul Scherrer . 

L’équipe a cherché à comprendre comment les vitesses de refroidissement du métal, qui peuvent être contrôlées par la puissance du laser et les paramètres de mouvement, influencent la structure cristalline. Ensuite, les chercheurs compareraient les données aux prédictions d'un modèle informatique largement utilisé développé dans les années 80 et décrivant la solidification des alliages. 

Bien que le modèle soit fiable pour les processus de fabrication traditionnels, le jury s'est penché sur son applicabilité dans le contexte unique des changements rapides de température de l'impression 3D. 

"Les expériences synchrotron prennent du temps et sont coûteuses, vous ne pouvez donc pas les exécuter pour toutes les conditions qui vous intéressent. Mais elles sont très utiles pour valider des modèles que vous pouvez ensuite utiliser pour simuler les conditions intéressantes", a déclaré Greta, co-auteur de l'étude. Lindwall, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au KTH Royal Institute of Technology.

Au sein des synchrotrons, les auteurs ont mis en place des conditions de fabrication additive pour l'acier à outils pour travail à chaud, une sorte de métal utilisé pour fabriquer, comme son nom l'indique, des outils capables de résister à des températures élevées. 

Alors que les lasers liquéfiaient le métal et que différents cristaux émergeaient, des faisceaux de rayons X sondaient les échantillons avec suffisamment d'énergie et de vitesse pour produire des images du processus éphémère. Les membres de l'équipe avaient besoin de deux installations distinctes pour prendre en charge les taux de refroidissement qu'ils souhaitaient tester, qui allaient de températures de dizaines de milliers à plus d'un million de kelvins par seconde. 

Les données recueillies par les chercheurs décrivent la poussée et la traction entre deux types de structures cristallines, l'austénite et la ferrite delta, cette dernière étant associée à la fissuration des pièces imprimées. Alors que les taux de refroidissement dépassaient 1,5 million de kelvins (2,7 millions de degrés Fahrenheit) par seconde, l'austénite commença à dominer son rival. Ce seuil critique correspondait à ce que prédisait le modèle. 

« Le modèle et les données expérimentales concordent parfaitement. Lorsque nous avons vu les résultats, nous étions vraiment excités », a déclaré Zhang. 

Le modèle est depuis longtemps un outil fiable pour la conception de matériaux dans la fabrication traditionnelle, et désormais l’espace d’impression 3D peut bénéficier du même support. 

Les résultats indiquent que le modèle peut informer les scientifiques et les ingénieurs sur les taux de refroidissement à sélectionner pour les premières étapes de solidification du processus d'impression. De cette façon, la structure cristalline optimale apparaîtrait dans le matériau souhaité, ce qui rendrait l’impression 3D métallique moins un coup de dés. 

« Si nous disposons de données, nous pouvons les utiliser pour valider les modèles. C'est ainsi que l'on accélère l'adoption généralisée de la fabrication additive à des fins industrielles », a déclaré Zhang.