De nouvelles recherches menées à l'Advanced Photon Source (APS) montrent que l'impression 3D de composants métalliques sans les pores qui affaiblissent leur intégrité structurelle est non seulement possible, mais n'aurait besoin d'aucun appareil supplémentaire pour le réaliser.

Le gros avantage de la fabrication additive est la commodité de fabriquer des pièces géométriquement complexes. Besoin de concevoir et de construire rapidement un nouveau composant de moteur pour un avion ? Allumez l'imprimante 3D et créez-en une. Mais avec cette commodité vient souvent un inconvénient :les pièces imprimées en 3D ne sont pas aussi durables que celles fabriquées par des procédés de fabrication traditionnels, et ne résistera pas aux contraintes répétées au fil du temps.

Une équipe de scientifiques peut maintenant avoir la réponse à ce problème. Encore mieux, leur découverte cruciale ne nécessite pas de reconcevoir et de mettre à jour les machines d'impression 3D. Les chercheurs disent que cela peut être fait avec la technologie que nous avons déjà.

La fabrication additive, communément appelée impression 3D, est une réalité depuis près de 40 ans. Ce processus transforme les modèles informatiques de, bien, quoi que ce soit dans des structures 3D entièrement réalisées en plastique, métaux ou autres matériaux. Dans le cadre du processus, cependant, les pores microscopiques se retrouvent dans le produit fini, affaiblir l'intégrité structurelle. L'élimination de ces pores des pièces métalliques imprimées en 3D est essentielle pour faire progresser la technologie vers des applications plus utiles.

Comme tout scientifique vous le dira, la première étape vers la résolution d'un problème est d'avoir une bonne idée de ce qui le cause. Les chercheurs ont utilisé la source de photons avancée (APS), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'énergie des États-Unis (DOE) située au laboratoire national d'Argonne du DOE, pour étudier le procédé de fabrication additive depuis 2015. L'APS génère des rayons X intensément lumineux, qui peut pénétrer dans les pièces métalliques, prendre des images pendant que le métal est façonné à partir de poudre en temps réel.

"L'APS fournit une façon de voir les choses que nous ne pouvions pas avant, " dit Kamel Fezzaa, un physicien de la division X-ray Science d'Argonne, qui supervise le programme d'imagerie à haute vitesse de la ligne de lumière APS 32-ID-B. "Au lieu d'utiliser des échantillons statiques une fois l'impression terminée, nous sommes en mesure de voir à l'intérieur du processus tel qu'il se produit."

Ce processus est appelé fusion laser sur lit de poudre, et cela implique l'utilisation de lasers à haute puissance pour faire fondre et fusionner des matériaux en poudre ensemble. En utilisant une configuration laser et poudre à l'APS, une équipe de chercheurs a documenté la formation et le mouvement ultérieur de pores - beaucoup plus petits que la largeur d'un cheveu humain - dans le bain de fusion. L'équipe était dirigée par Lianyi Chen, anciennement de l'Université des sciences et technologies du Missouri et maintenant de l'Université du Wisconsin-Madison, et Tao Soleil, anciennement de la division X-ray Science d'Argonne et maintenant de l'Université de Virginie.

L'APS leur a permis d'en capturer 135, 776 images par seconde, chaque image dure moins d'une microseconde, et le résultat a été l'examen le plus détaillé du processus de fabrication additive jamais vu.

« L'APS a la meilleure capacité de faire ce type d'étude, " a déclaré Sun. " Il serait impossible de le faire avec une source de rayons X en laboratoire. Nous explorons un processus hautement dynamique, et l'APS nous offre une résolution temporelle de niveau nanoseconde."

Ce que cette équipe de recherche a trouvé les a même surpris. Dans un article publié en Communication Nature , le groupe a décrit les trois forces agissant sur les pores dans le bain de fusion :la flottabilité, qui devrait forcer le gaz vers le haut et hors de la zone de fusion ; traînée d'écoulement à l'état fondu, qui devrait faire tourbillonner le gaz dans la piscine en fusion ; et la force thermocapillaire, qui pousse les pores à se déplacer le long du gradient de température.

De ces trois forces, ils ont découvert que la force thermocapillaire dans certaines zones de la piscine en fusion exerce le plus d'influence sur l'endroit où les pores se sont retrouvés. La traînée créée par la fusion du métal liquide est la deuxième, ce qui signifie que la tendance naturelle de ces poches de gaz à se déplacer vers le haut et hors de la zone de fusion a été contrée.

"Nous ne nous attendions pas à ces résultats, " dit Chen. " Alors que le laser frappe le matériau, les pores sortent rapidement du bain de fusion dans la zone d'interaction laser."

L'équipe a découvert que c'est la force thermocapillaire induite par le gradient de température qui entraîne les pores, Chen a expliqué, donc exercer simplement plus de contrôle sur le gradient de température pendant le processus d'impression 3D lui-même peut déplacer ces pores en dehors de la zone de fusion, s'assurer que la pièce métallique résultante est sans pores.

"Ce n'est pas une force à laquelle les gens pensaient avant, ", a déclaré Sun. "Mais nous pouvons utiliser cette force pour éliminer tous les pores d'un composant imprimé."

En utilisant cette technique, les chercheurs disent, devrait être possible avec les équipements d'impression 3D existants. Contrôler la puissance et la vitesse du laser, et ajustement pour différents types de matériaux, devrait permettre aux fabricants de trouver les bonnes conditions pour façonner la force thermique pendant que le laser fait son travail.

Il faudrait quelques essais et erreurs, Fezzaa a dit, mais il ne devrait pas nécessiter de dispositif supplémentaire pour éliminer les pores du produit fini.

"C'est une preuve de concept, " a déclaré Fezzaa. " L'un des principaux défis de l'impression 3D est de la rendre aussi fiable que la fabrication traditionnelle, et si ce concept pouvait être utilisé comme un outil efficace dans un système 3D réel, ce serait un pas de géant pour l'industrie de la fabrication additive."