Depuis des millénaires, les métallurgistes ont méticuleusement peaufiné les ingrédients de l'acier pour améliorer ses propriétés. Par conséquent, plusieurs variantes d'acier existent aujourd'hui; mais un type, appelé acier martensitique, se distingue de ses cousins ​​en acier comme étant plus solides et plus économiques à produire. D'où, les aciers martensitiques se prêtent naturellement à des applications dans l'aéronautique, industries de l'automobile et de la défense, entre autres, où haute résistance, des pièces légères doivent être fabriquées sans augmenter le coût.

Cependant, pour ces applications et d'autres, les métaux doivent être intégrés dans des structures complexes avec une perte minimale de résistance et de durabilité. Des chercheurs de la Texas A&M University, en collaboration avec des scientifiques du Laboratoire de recherche de l'Armée de l'Air, ont maintenant développé des directives qui permettent l'impression 3D d'aciers martensitiques en très robuste, objets sans défaut de presque n'importe quelle forme.

« Les aciers résistants et résistants ont d'énormes applications, mais les plus résistants sont généralement coûteux, à l'exception des aciers martensitiques qui sont relativement bon marché, coûtant moins d'un dollar la livre, " a déclaré le Dr Ibrahim Karaman, Professeur Chevron I et chef du Département de science et génie des matériaux. "Nous avons développé un cadre pour que l'impression 3D de ces aciers durs soit possible dans n'importe quelle géométrie souhaitée et que l'objet final soit pratiquement sans défaut."

Bien que le procédé développé ait été initialement pour les aciers martensitiques, Des chercheurs du Texas A&M ont déclaré avoir rendu leurs directives suffisamment générales pour que le même pipeline d'impression 3D puisse également être utilisé pour construire des objets complexes à partir d'autres métaux et alliages.

Les résultats de l'étude ont été publiés dans le numéro de décembre de la revue Acta Materialia .

Les aciers sont constitués de fer et d'une petite quantité d'autres éléments, y compris le carbone. Les aciers martensitiques se forment lorsque les aciers sont chauffés à des températures extrêmement élevées puis refroidis rapidement. Le refroidissement soudain confine anormalement les atomes de carbone dans les cristaux de fer, donnant à l'acier martensitique sa force caractéristique.

Pour avoir des applications diverses, aciers martensitiques, en particulier un type appelé aciers martensitiques faiblement alliés, doivent être assemblés en objets de différentes formes et tailles en fonction d'une application particulière. C'est alors que la fabrication additive, plus communément appelée impression 3D, fournit une solution pratique. Grâce à cette technologie, des éléments complexes peuvent être construits couche par couche en chauffant et en faisant fondre une seule couche de poudre métallique le long d'un motif avec un faisceau laser pointu. Chacune de ces couches jointes et empilées crée l'objet imprimé en 3D final.

Cependant, L'impression 3D d'aciers martensitiques à l'aide de lasers peut introduire des défauts involontaires sous forme de pores dans le matériau.

"Les porosités sont de minuscules trous qui peuvent réduire considérablement la résistance de l'objet final imprimé en 3D, même si la matière première utilisée pour l'impression 3D est très résistante, " a déclaré Karaman. "Pour trouver des applications pratiques pour le nouvel acier martensitique, nous devions retourner à la planche à dessin et rechercher quels réglages laser pourraient empêcher ces défauts."

Pour leurs expériences, Karaman et l'équipe Texas A&M ont d'abord choisi un modèle mathématique existant inspiré du soudage pour prédire comment une seule couche de poudre d'acier martensitique fondrait pour différents réglages de vitesse et de puissance du laser. En comparant le type et le nombre de défauts qu'ils ont observés dans une seule piste de poudre fondue avec les prédictions du modèle, ils ont pu modifier légèrement leur cadre existant afin que les prédictions ultérieures s'améliorent.

Après quelques itérations de ce type, leur cadre pouvait correctement prévoir, sans avoir besoin d'expériences supplémentaires, si nouveau, un ensemble de réglages laser non testé conduirait à des défauts dans l'acier martensitique. Les chercheurs ont déclaré que cette procédure est plus rapide.

« Tester toute la gamme des possibilités de réglage du laser pour évaluer celles qui peuvent entraîner des défauts prend énormément de temps, et parfois, même pas pratique, " dit Raiyan Seede, un étudiant diplômé du College of Engineering et le principal auteur de l'étude. « En combinant expérimentations et modélisation, nous avons pu développer un simple, rapide, procédure étape par étape qui peut être utilisée pour déterminer quel réglage fonctionnerait le mieux pour l'impression 3D d'aciers martensitiques."

Seede a également noté que bien que leurs lignes directrices aient été élaborées pour garantir que les aciers martensitiques puissent être imprimés sans déformations, leur cadre peut être utilisé pour imprimer avec n'importe quel autre métal. Il a déclaré que cette application étendue est due au fait que leur cadre peut être adapté pour correspondre aux observations d'expériences à piste unique pour un métal donné.

« Bien que nous ayons commencé par nous concentrer sur l'impression 3D d'aciers martensitiques, nous avons depuis créé un pipeline d'impression plus universel, " dit Karaman. " Aussi, nos directives simplifient l'art de l'impression 3D des métaux afin que le produit final soit sans porosités, ce qui est un développement important pour tous les types d'industries de fabrication additive métallique qui rendent des pièces aussi simples que des vis à des pièces plus complexes comme les trains d'atterrissage, réducteurs ou turbines."