La promesse de la fabrication additive de révolutionner l'industrie est limitée par un problème répandu :de minuscules poches de gaz dans le produit final, ce qui peut entraîner des fissures et d'autres défaillances.

Une nouvelle recherche publiée aujourd'hui dans Science , dirigé par des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon et du Laboratoire national d'Argonne, a identifié comment et quand ces poches de gaz se forment, ainsi qu'une méthodologie pour prédire leur formation, une découverte cruciale qui pourrait considérablement améliorer le processus d'impression 3D.

"La recherche dans cet article se traduira par un meilleur contrôle de la qualité et un meilleur contrôle du travail avec les machines, " a déclaré Anthony Rollett, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Carnegie Mellon et auteur de l'article. « Pour que la fabrication additive décolle vraiment pour la majorité des entreprises, nous devons améliorer la cohérence des produits finis. Cette recherche est un pas important dans cette direction. »

Les scientifiques ont utilisé les rayons X à haute énergie extrêmement brillants de la source de photons avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour prendre des vidéos et des images ultra-rapides d'un processus appelé Laser Power Bed Fusion (LPBF), dans lequel les lasers sont utilisés pour fondre et fusionner la poudre de matériau ensemble.

Les lasers, qui balayent chaque couche de poudre pour fondre le métal là où c'est nécessaire, créer littéralement le produit fini à partir de zéro. Des défauts peuvent se former lorsque des poches de gaz sont piégées dans ces couches, causant des imperfections qui pourraient entraîner des fissures ou d'autres pannes dans le produit final.

Jusqu'à maintenant, les fabricants et les chercheurs ne savaient pas grand-chose sur la façon dont le laser perce le métal, produisant des cavités appelées "dépressions de vapeur", " mais ils ont supposé que le type de poudre métallique ou la force du laser étaient à blâmer. En conséquence, les fabricants ont utilisé une approche d'essais et d'erreurs avec différents types de métaux et de lasers pour chercher à réduire les défauts.

En réalité, la recherche montre que ces dépressions de vapeur existent dans presque toutes les conditions du processus, peu importe le laser ou le métal. Plus important encore, la recherche montre comment prédire quand une petite dépression deviendra une grande et instable qui peut potentiellement créer un défaut.

"Nous tirons le voile et révélons ce qui se passe réellement, " a déclaré Rollett qui est également co-directeur du NextManufacturing Center à Carnegie Mellon. " La plupart des gens pensent que vous projetez une lumière laser sur la surface d'une poudre métallique, la lumière est absorbée par le matériau, et il fait fondre le métal dans un bain de fusion. En réalité, vous êtes vraiment en train de percer un trou dans le métal."

En utilisant des équipements hautement spécialisés à l'APS d'Argonne, l'une des installations synchrotron les plus puissantes au monde, les chercheurs ont observé ce qui se passe lorsque le laser se déplace sur le lit de poudre métallique pour créer chaque couche du produit.

Dans des conditions parfaites, la forme du bain de fusion est peu profonde et semi-circulaire, appelé le "mode de conduction". Mais pendant le processus d'impression réel, le laser haute puissance, se déplaçant souvent à faible vitesse, peut changer la forme du bassin de fusion en quelque chose comme un trou de serrure dans une serrure protégée :rond et grand sur le dessus, avec une pointe étroite en bas. Une telle fusion en "mode trou de serrure" peut potentiellement conduire à des défauts dans le produit final.

« Sur la base de cette recherche, on sait maintenant que le phénomène de trou de serrure est plus important, De plusieurs façons, que la poudre utilisée en fabrication additive, " a déclaré Ross Cunningham, un récent diplômé de l'Université Carnegie Mellon et l'un des co-premiers auteurs de cet article. "Nos recherches montrent que vous pouvez prédire les facteurs qui conduisent à un trou de serrure, ce qui signifie que vous pouvez également isoler ces facteurs pour de meilleurs résultats."

La recherche montre que des trous de serrure se forment lorsqu'une certaine densité de puissance laser est atteinte, suffisante pour faire bouillir le métal. Cette, à son tour, révèle l'importance critique de la focalisation laser dans le processus de fabrication additive, un élément qui a reçu peu d'attention jusqu'à présent, selon l'équipe de recherche.

"Le phénomène du trou de serrure a pu être observé pour la première fois avec de tels détails en raison de l'échelle et des capacités spécialisées développées à Argonne, " dit Tao Sun, un physicien d'Argonne et un auteur sur le papier. "Le faisceau intense de rayons X à haute énergie de l'APS est la clé de découvertes comme celle-ci."

La plate-forme d'expérimentation qui prend en charge l'étude de la fabrication additive comprend un appareil laser, détecteurs spécialisés, et des instruments de ligne de lumière dédiés.

En 2016, l'équipe Argonne, avec leurs partenaires de recherche, a capturé la toute première vidéo aux rayons X de la fabrication additive laser à l'échelle du micromètre et de la microseconde. Cette étude a accru l'intérêt pour l'impact que l'APS d'Argonne pourrait avoir sur les techniques et les défis de fabrication.

"Nous étudions vraiment un problème scientifique très fondamental, c'est ce qui arrive au métal quand on le chauffe avec un laser haute puissance, " dit Cang Zhao, un post-doctorant Argonne et l'autre co-premier auteur de l'article. "En raison de notre capacité expérimentale unique, nous sommes capables de travailler avec nos collaborateurs sur des expérimentations qui sont vraiment précieuses pour les industriels."

L'équipe de recherche pense que cette recherche pourrait motiver les fabricants de machines de fabrication additive à offrir plus de flexibilité lors du contrôle des machines et que l'amélioration de l'utilisation des machines pourrait conduire à une amélioration significative du produit final. En outre, si ces idées sont mises en pratique, le processus d'impression 3D pourrait s'accélérer.

"C'est important parce que l'impression 3D en général est plutôt lente, " a déclaré Rollett. " Il faut des heures pour imprimer une pièce de quelques centimètres de haut. Ce n'est pas grave si vous pouvez vous permettre de payer pour la technique, mais nous devons faire mieux."