Dans l'ensemble du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE), les équipes abordent différentes problématiques scientifiques liées à la fabrication additive, souvent appelée impression 3D, afin de faire progresser notre compréhension du processus qui pourrait révolutionner la fabrication.

A la Source de Photons Avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, une équipe dirigée par le physicien de l'APS Tao Sun et le professeur de l'Université des sciences et technologies du Missouri, Lianyi Chen, ont récemment terminé une étude qui identifie les moyens possibles de réduire les "éclaboussures de poudre, " qui peuvent entraîner des défauts dans le produit fini. Ces informations pourraient aider les entreprises de tous les secteurs, de l'aéronautique à la défense, instruments médicaux à l'automobile.

En fabrication additive, les fabricants utilisent des lasers pour chauffer le métal, poudres plastiques et céramiques. Ces poudres chauffées sont ensuite étalées en couches très fines, une couche à la fois, dans une plaque de construction, résultant en des produits finis personnalisés, fait à la demande. Ce procédé est appelé « fusion laser sur lit de poudre, " ou LPBF.

Les développeurs ont utilisé cette technologie pour créer des composants pour avions, les automobiles et même les implants médicaux tels que les mâchoires artificielles. Les ingénieurs utilisent du titane et d'autres alliages métalliques pour améliorer l'efficacité de la production, réduire les coûts des produits et simplifier les chaînes d'approvisionnement. Il n'y a pas de limite aux utilisations possibles, ne dépend que de la vision des concepteurs.

Pourtant, ce processus reste imparfait. Les lasers intenses frappant les poudres provoquent fréquemment des projections de poudres, pulvérisation ou éclaboussure, entraînant des défauts dans les produits ou des problèmes de contrôle de la qualité. En outre, cela peut créer d'autres problèmes lorsque les ingénieurs cherchent à réutiliser les restes de poudre, car la poudre éclaboussée a tendance à contaminer le reste. Les ingénieurs doivent souvent réparer des pièces finies, ou réviser et répéter le processus d'impression.

Le phénomène est difficilement mesurable avec des outils conventionnels. Elle ne peut pas non plus être bien prédite par la modélisation ou la simulation, et donc la dynamique détaillée des projections de poudre n'est pas encore entièrement comprise.

En utilisant les rayons X extrêmement brillants de l'APS, l'équipe a pu observer la dynamique de ce mouvement de poudre, mesurer la vitesse et l'accélération de la poudre. De ces expériences, l'équipe a créé un diagramme illustrant la dynamique et a fourni des moyens possibles pour réduire les éclaboussures.

En capturant 50, 000 images par seconde, les chercheurs ont pu sonder et quantifier la dynamique du mouvement de la poudre en fonction du temps, pression environnementale et emplacement dans une large gamme de températures - de 80 à plus de 4, 940 degrés Fahrenheit—qui se produisent dans LPBF. L'équipe a également observé la force motrice du mouvement causée par le panache de vapeur du métal chauffé et le flux de gaz argon qui en résulte.

"Nous essayons de comprendre l'ampleur de l'éjection de poudre, " Sun a déclaré. "Notre travail fournit des indices sur la façon de l'atténuer. À la fin, en essayant d'obtenir de meilleurs produits, nous avons besoin de modélisation. Ces modèles s'appuient sur des données expérimentales pour les valider. Grâce aux technologies à rayons X, nous pouvons visualiser le processus et valider le modèle. Personne n'a encore développé de modèles précis pour prédire les mouvements de la poudre car le processus est si complexe et ne peut pas être mesuré directement."

L'équipe de recherche a identifié trois façons d'atténuer potentiellement les projections de poudre :le préfrittage (chauffage pour préparer le compactage des poudres via la température ou la pression) à une température relativement plus basse, avant de commencer le processus principal de frittage (compactage ou formage) ; réduire l'épaisseur du lit de poudre; et ajuster la pression sur le lit de poudre pour équilibrer les projections chaudes (qui augmentent sous plus de pression) et les projections totales (qui diminuent sous plus de pression).

L'équipe a trouvé des preuves que les pores induits par les projections causaient des défauts dans un échantillon construit avec une couche de poudre plus épaisse, alors que de tels défauts ont été rarement trouvés dans un échantillon avec une couche plus mince. Les chercheurs se sont appuyés sur des théories basées sur la physique pour identifier le frittage et l'ajustement de la pression comme outils d'atténuation potentiels.

L'équipe a utilisé le mécanisme de contraste en imagerie aux rayons X pour capturer les trajectoires de toutes les poudres volantes dans une seule vidéo, malgré des variations extrêmes de température. Grâce à l'imagerie thermique et à la lumière visible, les scientifiques doivent utiliser différents filtres et durées d'exposition pour voir des particules avec des températures radicalement différentes.

"Pour la première fois, nous pouvons étudier quantitativement la dynamique transitoire du comportement de fusion et de projection de poudre avec une résolution spatiale et temporelle élevée pour toutes les poudres en même temps, y compris chaud, poudres froides et cachées, " dit Chen, qui est co-auteur avec Sun de l'article "Transient dynamics of powder spattering in laser powder bed fusion additive manufacturing process found by in-situ high-speed high-energy X-ray imaging, " publié dans Acta Materialia le 26 mars.

"Cette étude est utile à la communauté de l'impression 3D pour surmonter un obstacle majeur à la fabrication de pièces avec moins de défauts, " dit Chen.

Les industries de l'aérospatiale et de la défense sont particulièrement intéressées par les résultats en raison des pièces complexes dont elles ont besoin.

"Les industries de l'aérospatiale et de la défense utilisent l'impression 3D pour fabriquer des outillages, des structures légères et des composants fonctionnels aux géométries complexes, " a déclaré Wes Everhart, un co-auteur de l'article, du campus de sécurité nationale de Kansas City du DOE. "L'industrie automobile commence tout juste à l'utiliser pour fabriquer des composants complexes."

"C'est important car cela fournit des indices sur la façon d'atténuer les éclaboussures, " a déclaré Chen. " Personne n'a encore développé de modèles fiables parce que la fabrication additive est si complexe et ne peut pas être mesurée directement. Cela nous rapproche de la réalisation du plein potentiel de l'impression 3D."