La fabrication additive métallique (FA) promet de révolutionner la façon dont nous produisons et utilisons certaines pièces. Réduire le gaspillage de matière et le temps de travail, metal AM simplifie les étapes de création de pièces à géométrie complexe par rapport aux méthodes de fabrication conventionnelles.

Cependant, des centaines de très petits défauts (~10-50 micromètres) peuvent survenir au cours du processus, un défi lorsqu'il s'agit de garantir la confiance dans les performances structurelles du produit. L'impact technique de ces défauts n'est pas bien compris; et, dans un domaine où les certifications et les normes règnent en maître, il est difficile de mettre en place ces pièces en raison du manque de données de traitement et de protocoles standards.

Des chercheurs du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), à Laurier, Maryland, a cherché à mieux comprendre l'influence de différents défauts sur les performances mécaniques des matériaux FA. Dans "Découvrir l'impact couplé de la morphologie des défauts et de la microstructure sur le comportement en traction du Ti-6Al-4V fabriqué par fusion laser sur lit de poudre, " publié récemment dans le Journal of Materials Processing Technology, ils fournissent des données pour aider à comprendre les effets des défauts et permettre la prise de décision.

Une méthode de fabrication de pièces métalliques AM est la fusion laser sélective, un processus qui fond et fusionne des poudres métalliques en utilisant l'énergie laser. "La fusion laser sur lit de poudre est une technologie dominante de fabrication additive qui n'a pas encore atteint son potentiel, " a déclaré l'auteur correspondant Steven Storck, ingénieur mécanicien au Département Recherche et Développement Exploratoire (REDD) de l'APL. "Le problème est que de minuscules bulles ou pores se forment parfois pendant le processus d'impression, et ces pores créent une incertitude en termes de résistance ou de performance dans les zones des produits finis. »

Il existe deux types naturels de défauts de traitement :le manque de fusion et le trou de serrure. Les premiers se produisent lorsqu'il n'y a pas assez d'énergie pour faire fondre complètement le lit de poudre métallique; les défauts de trou de serrure se produisent lorsqu'une densité d'énergie excessive forme une instabilité dynamique des fluides dans le lit de poudre fondue. Lorsque la densité d'énergie dévie au-dessus ou en dessous des niveaux optimaux, la quantité et la taille des défauts augmentent.

Storck, avec les coauteurs de REDD Timothy Montalbano, Salahudin Nimer, Christophe Peitsch, Joe Sopcisak et Doug Trigg, et Brandi Briggs et Jay Waterman de la Naval Air Warfare Center Aircraft Division, délibérément introduit les deux types de défauts dans les échantillons pour déterminer comment ils influencent les propriétés mécaniques des pièces.

Les résultats ont montré que si des quantités élevées de chaque type de défaut sont défavorables, il est plus favorable d'être dans le domaine du trou de serrure - à une concentration similaire de défauts - que dans le domaine de l'absence de fusion. L'équipe a également découvert que le raffinement microstructural autour d'un défaut de trou de serrure peut contrecarrer l'effet d'affaiblissement du défaut. Même jusqu'à 4-5% de porosité dans le domaine du trou de serrure donne la même limite d'élasticité qu'une pièce avec une porosité négligeable, une métrique cible que de nombreux ingénieurs mécaniciens utilisent pour concevoir des pièces.

"Nous avons modifié les conditions de traitement laser pour simuler des défauts naturels dans le processus et généré trois quantités similaires de défauts dans le trou de serrure et l'absence de domaines de fusion, " expliqua Storck. " Alors, nous avons scanné et quantifié le matériel de chaque condition de traitement à l'aide de la tomodensitométrie à rayons X pour cartographier la taille et la distribution des défauts, et comparé des échantillons contenant ces défauts résultants dans des tests de tension monotones pour déterminer le domaine de défauts préféré pour une quantité donnée de défauts."

Cette recherche faisait partie des efforts continus d'APL avec le Naval Air Systems Command pour comprendre les effets des défauts dans la fabrication additive. "Notre recherche actuelle utilise maintenant cette découverte combinée à l'apprentissage automatique pour réécrire la façon dont nous traitons les matériaux par fusion laser, " dit Storck.

"Ce travail est une étape cruciale pour jeter les bases permettant la qualification des pièces de FA à l'avenir, " a ajouté Morgan Trexler, qui gère le programme Science of Extreme and Multifunctional Materials de REDD. "Une compréhension générale de l'influence des effets des conditions de traitement sur la microstructure résultante et les propriétés d'un matériau et d'un composant fournira la base scientifique pour permettre des protocoles pour une mise en œuvre sûre des pièces fabriquées de manière additive."