Il semble assez discret pour le spectateur occasionnel, à peine comme une innovation de rupture :un petit échiquier métallique, quatre millimètres de longueur de chaque côté. A première vue, il brille comme de l'acier poli; au second regard, d'infimes différences de couleur sont visibles :le petit échiquier a 16 cases, huit apparaissent légèrement plus sombres, les huit autres un peu plus clair.

L'échantillon de matériau sans prétention montre que l'impression 3D à l'aide de faisceaux laser et de poudre métallique n'est pas seulement adaptée à la création de nouvelles formes géométriques, mais aussi pour produire de nouveaux matériaux avec des fonctionnalités complètement nouvelles. Le petit échiquier en est un exemple particulièrement évident :huit cases sont magnétiques, huit non magnétiques - la pièce entière a été imprimée en 3D à partir d'une seule qualité de poudre métallique. Seules la puissance et la durée du faisceau laser variaient.

Comme point de départ, une équipe de l'Empa dirigée par Aryan Arabi-Hashemi et Christian Leinenbach a utilisé un type spécial d'acier inoxydable, qui a été développé il y a une vingtaine d'années par la société Hempel Special Metals à Dübendorf, entre autres. L'acier dit P2000 ne contient pas de nickel, mais environ un pour cent d'azote. L'acier P2000 ne provoque pas d'allergies et est bien adapté aux applications médicales. C'est particulièrement dur, ce qui rend le fraisage conventionnel plus difficile. Malheureusement, à première vue, il semble également inadapté comme matériau de base pour l'impression laser 3D :dans la zone de fusion du faisceau laser, la température monte rapidement. C'est pourquoi une grande partie de l'azote contenu dans le métal s'évapore normalement, et l'acier P2000 change ses propriétés.

Transformer un problème en avantage

Arabi-Hashemi et Leinenbach ont réussi à transformer cet inconvénient en avantage. Ils ont modifié la vitesse de balayage du laser et l'intensité du faisceau laser, qui fait fondre les particules dans le lit de poudre métallique, et ainsi faire varier la taille et la durée de vie du bain de fusion liquide d'une manière spécifiée. Dans le plus petit des cas, la piscine faisait 200 microns de diamètre et 50 microns de profondeur, dans le plus grand cas 350 microns de largeur et 200 microns de profondeur. Le plus grand bain de fusion permet à beaucoup plus d'azote de s'évaporer de l'alliage; l'acier en train de se solidifier cristallise avec une forte proportion de ferrite magnétisable. Dans le cas du plus petit bain de fusion, l'acier fondu se solidifie beaucoup plus rapidement. L'azote reste dans l'alliage; l'acier cristallise principalement sous forme d'austénite non magnétique.

Au cours de l'expérimentation, les chercheurs ont dû déterminer la teneur en azote en minuscules, des échantillons métalliques de taille millimétrique très précisément et mesurer l'aimantation locale à quelques micromètres près, ainsi que le rapport volumique de l'acier austénitique et ferritique. Plusieurs méthodes d'analyse hautement développées disponibles à l'Empa ont été utilisées à cette fin.

Les alliages à mémoire de forme deviennent intelligents

L'expérience, qui ressemble à un simple gadget, pourrait bientôt ajouter un outil crucial à la méthodologie de production et de traitement des métaux. « En impression laser 3D, on peut facilement atteindre des températures de plus de 2500 degrés Celsius localement, ", explique Leinenbach. "Cela nous permet de vaporiser divers composants d'un alliage de manière ciblée, par ex. manganèse, alu, zinc, carbone et bien d'autres - et ainsi modifier localement la composition chimique de l'alliage." La méthode ne se limite pas aux aciers inoxydables, mais peut également être utile pour de nombreux autres alliages.

Leinenbach pense à, par exemple, certains alliages nickel-titane dits alliages à mémoire de forme. À quelle température l'alliage "se souvient" de sa forme programmée dépend de seulement 0,1 pour cent de plus ou moins de nickel dans le mélange. A l'aide d'une imprimante laser 3D, des composants structurels pourraient être fabriqués qui réagissent localement et de manière échelonnée à différentes températures.

Des structures fines pour le moteur électrique du futur

La capacité de produire différentes compositions d'alliages avec une précision micrométrique dans un seul composant pourrait également être utile dans la conception de moteurs électriques plus efficaces. Pour la première fois, il est désormais possible de construire le stator et le rotor du moteur électrique à partir de matériaux magnétiquement finement structurés et ainsi de mieux exploiter la géométrie des champs magnétiques.

Le facteur crucial dans la découverte de la relation entre la puissance laser, la taille du bain de fusion et les propriétés du matériau était l'expertise dans le domaine de la fabrication additive, qui s'est construit à l'Empa au cours des neuf dernières années. Depuis, Christian Leinenbach et son équipe, comme l'un des principaux groupes de recherche au monde dans le domaine, se sont consacrés aux questions de science des matériaux liées aux procédés d'impression laser 3D. À la fois, Les chercheurs de l'Empa ont acquis une expérience dans la surveillance de processus, en particulier dans la mesure des piscines de fonte, dont la taille et la durée de vie sont cruciales pour la modification ciblée des alliages.