Cette image montre le processus de construction et de recuit d'un bloc rectangulaire en acier inoxydable 316L. Les premier et deuxième panneaux sont le laser à balayage focalisé faisant fondre la couche de poudre dans la partie sous-jacente. Le troisième panneau est la diode qui s'allume et illumine la surface de la pièce pour la chauffer et la recuire. Le dernier panneau est juste après que la diode s'éteigne, montrant que le bloc est à haute température (> 950°C). Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
En impression 3D, des contraintes résiduelles peuvent s'accumuler dans les pièces pendant le processus d'impression en raison de l'expansion du matériau chauffé et de la contraction du matériau froid, générer des forces pouvant déformer la pièce et provoquer des fissures pouvant fragiliser ou déchirer une pièce, surtout dans les métaux.
Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l'Université de Californie, Davis aborde le problème en utilisant des diodes laser - des lasers haute puissance empruntés à la technologie créée pour le National Ignition Facility (NIF) de LLNL - pour chauffer rapidement les couches imprimées pendant une construction. La nouvelle technique, décrit dans un article publié en ligne par la revue Additive Manufacturing, a entraîné une réduction de 90 % de la contrainte résiduelle effective dans les pièces de test imprimées en 3D en métal, en permettant aux chercheurs de réduire le gradient de température (la différence entre les extrêmes chauds et froids) et de contrôler les vitesses de refroidissement.
"Dans les métaux, il est vraiment difficile de surmonter ces contraintes, " a déclaré l'auteur principal de l'article, John Roehling. " Il y a eu beaucoup de travail pour essayer de faire des choses comme changer la stratégie de numérisation pour redistribuer les contraintes résiduelles, mais notre approche consistait essentiellement à nous en débarrasser au fur et à mesure que nous construisons la pièce, donc vous n'avez aucun de ces problèmes. En utilisant cette approche, nous pouvons efficacement nous débarrasser des contraintes résiduelles au point que vous n'avez plus de défaillances de pièces pendant la construction."
Aux fins de l'étude, Will Smith, ingénieur LLNL et co-auteur principal, a construit de petites, structures de type pont en acier inoxydable 316L utilisant le procédé de fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Il laisse chaque couche se solidifier avant d'éclairer leurs surfaces avec les diodes, initialement à pleine puissance et en diminuant immédiatement l'intensité sur une période de 20 secondes. Le résultat s'apparentait à mettre la pièce dans un four après chaque couche, lorsque les températures de surface atteignaient environ 1, 000 degrés centigrades (1, 832 degrés Fahrenheit).
Les pièces finies, avec leurs pattes épaisses et leur fine section en porte-à-faux, a permis aux chercheurs de mesurer la quantité de stress résiduel soulagée en coupant l'une des jambes et en analysant le déplacement de la section de surplomb la plus faible. Lorsque les diodes ont été utilisées, le pont n'a plus dévié, les chercheurs ont dit.
"La construction des pièces était similaire au fonctionnement d'une imprimante 3D en métal normale, mais la nouveauté de notre machine est que nous utilisons un laser secondaire qui projette sur une plus grande surface et qui post-chauffe la pièce par la suite - il augmente rapidement la température et la refroidit lentement de manière contrôlée, " Smith a dit. " Quand nous avons utilisé les diodes, nous avons vu qu'il y avait une tendance à la réduction du stress résiduel, et cela par rapport à ce qui se fait traditionnellement par recuit d'une pièce dans un four par la suite. C'était un bon résultat, et c'était prometteur quant à l'efficacité de notre technique."
L'approche est une émanation d'un projet précédent dans lequel les diodes laser, développé pour lisser les lasers en NIF, ont été utilisés pour imprimer en 3D des couches métalliques entières en une seule fois. Il surpasse d'autres méthodes courantes pour réduire les contraintes résiduelles dans les pièces métalliques, telles que la modification de la stratégie de numérisation ou l'utilisation d'une plaque de construction chauffée, dit Roehling. Parce que l'approche chauffe par le haut, il n'y a pas de limite à la hauteur des pièces.
Les chercheurs effectueront ensuite une étude plus approfondie, porter leur attention sur l'augmentation du nombre de couches par cycle de chauffage pour voir si elles peuvent réduire au même degré les contraintes résiduelles, essayer des pièces plus complexes et utiliser des techniques plus quantitatives pour acquérir une compréhension plus approfondie du processus.
"Cette technologie est quelque chose qui pourrait être étendu, parce qu'en ce moment nous projetons sur une zone relativement petite et il y a encore beaucoup de place pour l'amélioration, " Smith a dit. " En ajoutant plus de lasers à diodes, nous pourrions ajouter plus de zone de chauffage si quelqu'un voulait l'intégrer dans un système avec une plus grande zone d'impression."
Plus important, Roehling a dit, les chercheurs exploreront le contrôle des transformations de phase dans l'alliage de titane (Ti64). Typiquement, lors de la construction avec Ti64, la transformation de phase rend le métal extrêmement cassant, provoquant la fissuration des pièces. Si les chercheurs pouvaient éviter la transformation en refroidissant lentement la pièce, il pourrait rendre le matériau suffisamment ductile pour répondre aux normes aérospatiales, Roehling a dit, ajoutant que les résultats préliminaires sont prometteurs.
