Après avoir imprimé diverses pièces avec de la poudre AF-9628, Le capitaine Erin Hager a analysé la porosité résultante, résistance et résistance aux chocs. Elle a noté que les propriétés mécaniques étaient assez bonnes. Elle "n'a pas vu de craquement, " et affirme que, [le résultat] était très similaire [aux pièces fabriquées traditionnellement]. En réalité, les pièces « correspondaient à l'allongement de 10 % requis, indiquant une résistance accrue sans devenir cassant, " et " a atteint ou dépassé les [spécifications] dès la sortie de la machine. " Crédit :Air Force Institute of Technology
Pièces fabriquées de manière additive avec AF-9628, un acier Air Force, sont environ 20 pour cent plus résistants que les alliages AM conventionnels, en termes de résistance à la traction ultime, selon les recherches menées par le capitaine Erin Hager, un employé du Laboratoire de recherche de l'Air Force et récemment diplômé du programme de génie aérospatial de l'Air Force Institute of Technology.
AF-9628 est un alliage d'acier développé par le Dr Rachel Abrahams d'AFRL qui offre une résistance et une ténacité élevées. La formule, surnommé l'acier de Rachel, coûte moins cher que certains autres alliages d'acier haute performance, notamment Eglin Steel et HP-9-4-20; cependant, il est plus cher que les grades courants utilisés dans les munitions conventionnelles. AF-9628 est unique car il ne contient pas de tungstène, comme Eglin Steel ou cobalt, partie de la formule pour HP-9-4-20, qui est dans le Massive Ordnance Penetrator, un 30, Bombe de 1 000 livres qui détruit des actifs dans des installations bien protégées.
les recherches de Hager, parrainé par l'Air Force Research Laboratory Munitions Directorate à Eglin AFB, Floride, a déterminé que l'AF-9628 est un matériau optimal pour la fabrication additive en raison de sa haute résistance. Bien que ces résultats soient comparables aux valeurs rapportées dans une étude similaire du US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, Hager a donné des propriétés mécaniques similaires à celles de l'AF-9628 forgé et traité thermiquement de manière conventionnelle. Dr Sean Gibbons, un ingénieur recherche matériaux à la direction Munitions avec une expertise en acier, décrit cette découverte comme « excitante ».
En travaillant avec Rachel's Steel, Hager a utilisé la fusion sur lit de poudre, un type de fabrication additive dans lequel un laser fait fondre sélectivement de la poudre dans un motif pour créer des objets en trois dimensions. Au fur et à mesure que chaque couche est terminée, l'imprimante distribue plus de poudre sur la zone de construction, et le processus continue jusqu'à ce que la pièce soit terminée.
"Pour déterminer si AF-9628 était imprimable, nous avons caractérisé la forme et la taille de la poudre et [identifié] comment elle a changé avec la fusion et le tamisage, " dit Hager. Elle l'a examiné au microscope électronique à balayage à l'AFIT et a effectué des tests à l'Institut de recherche de l'Université de Dayton à l'aide d'un microscope optique caractérisant la taille.
Hager a fourni la composition chimique de l'acier AF-9628 à Powder Alloy Corp., un fabricant à Cincinnati, Ohio. Une fois qu'elle a reçu la poudre et qu'elle a déterminé qu'elle fondait de manière prévisible dans la machine, elle est passée à la création d'articles de test réels. Après avoir imprimé diverses pièces, elle a analysé la porosité résultante, résistance et résistance aux chocs.
Elle a expliqué que de nombreux "alliages ne se prêtent pas très bien à la [fabrication additive]". Par exemple, "certains alliages ne fondent pas et ils se fissurent beaucoup une fois que vous essayez de fabriquer une pièce." Cependant, quand Hager a examiné ses parties, elle a noté que les propriétés mécaniques étaient "assez bonnes". Elle n'a trouvé aucune preuve de fissuration et a décrit la sortie comme "très similaire aux pièces fabriquées traditionnellement".
Le capitaine Erin Hager verse la forme en poudre d'acier AF-9628 dans une machine de fusion à lit de poudre. Dans ce type de fabrication additive, un laser fait fondre sélectivement la poudre selon un motif pour créer des objets tridimensionnels. Au fur et à mesure que chaque couche est terminée, l'imprimante distribue plus de poudre sur la zone de construction, et le processus continue jusqu'à ce que la pièce soit terminée. Une fois que Hager a vérifié que la poudre fondait de manière prévisible dans la machine, elle a commencé à créer de véritables articles de test. Crédit :Institut de technologie de l'Air Force
Après un examen plus approfondi, elle a déterminé que les pièces "correspondaient à l'allongement requis de 10 pour cent indiquant une résistance accrue sans devenir cassantes". Hager explique que les pièces "satisfont ou dépassent [les spécifications] dès la sortie de la machine".
Après avoir réussi à créer des pièces simples, Hager a commencé à imprimer des dessins complexes comprenant plusieurs projectiles complexes. Elle a utilisé deux machines à l'AFIT et imprimé environ 130 articles dont 30 petits cylindres, 60 plus gros cylindres, 20 barres de traction et 20 éprouvettes d'impact.
Les pièces qu'elle a fabriquées sont adaptées aux applications d'armes. Lorsque l'Air Force a initialement développé l'AF-9628 pour les applications de bombe anti-bunker, "l'idée originale était de fabriquer l'arme pénétrante du futur avec exactement le profil explosif souhaité."
Hager explique que la fabrication additive "permet aux [ingénieurs] de mettre du poids [sur les munitions] uniquement là où c'est nécessaire". Finalement, cela "permet des munitions plus légères qui deviennent tout aussi profondes, donc [l'avion] peut transporter plus de ces armes, " elle dit.
Selon les ingénieurs de l'UDRI, tandis que la fabrication additive peut (dans certains cas) fabriquer efficacement des formes complexes à moindre coût que la fabrication traditionnelle, le processus peut laisser des contraintes résiduelles dans les pièces en raison du chauffage et du refroidissement rapides pendant le processus de fabrication.
Hager a dit que, "l'additif n'est pas un processus de précision, il est donc difficile de tenir les tolérances géométriques et puisque les éléments peuvent sortir rugueux, ils passent parfois par beaucoup de post-traitement."
Dr Philip Flater, un ingénieur en mécanique qui dirige le groupe de fabrication additive de la direction Munitions qui a parrainé cette recherche, a expliqué que cela peut impliquer le polissage et/ou le traitement thermique des surfaces rugueuses pour résoudre les défauts des matériaux tels que les pores et obtenir des propriétés mécaniques optimales.
Imagerie thermique des pièces Capt. Erin Hager fabriquée de manière additive avec de la poudre AF-9628. Crédit :Institut de technologie de l'Air Force
Alors que Hager a déclaré que la rugosité et la porosité ne sont pas des qualités idéales dans les pièces fonctionnelles utilisées à plusieurs reprises, elle a expliqué que les composants des munitions sont des articles à usage unique.
Pour l'instant, la poudre AF-9628 n'est disponible qu'en très petites quantités de production et les entreprises peuvent prendre des mois pour la formuler. En tant que tel, alors que l'AF-9628 est un acier moins cher, elle a déclaré que "la forme en poudre n'entraîne [actuellement] pas les mêmes économies de coûts" car la demande est faible.
« Il n'est pas très courant que les clients demandent des aciers à haute résistance sous forme de poudre, " elle a expliqué.
Hager espère que ce premier succès conduira à un intérêt accru pour les aciers à haute résistance.
"Il n'y a pas beaucoup de recherche sur les aciers, " elle a dit, ajoutant que "les études en cours concernent principalement le titane et les composites".
Hager prévoit de faire connaître ses découvertes, et elle espère que l'Air Force « prendra cet acier à haute résistance et proposera de nouvelles applications auxquelles nous n'avons même pas encore pensé ». Elle a récemment présenté ses recherches lors d'une conférence internationale sur la métallurgie des poudres et d'un symposium sur l'artillerie et la balistique.
Actuellement, elle travaille au sein de la direction des matériaux et de la fabrication de l'AFRL dans le bureau des technologies énergétiques avancées où elle étudie les nouvelles technologies énergétiques que l'armée de l'air peut utiliser pour réduire les coûts. En tant que membre du groupe aéronautique, Hager se concentre sur les carburants alternatifs, mesures d'allègement et de réduction de la traînée.
La Direction des Munitions de l'AFRL mène d'autres efforts de recherche sur les munitions fabriquées de manière additive. L'objectif est de créer des munitions avec des profils de fragmentation et de pression de souffle contrôlés avec précision qui minimisent les dommages collatéraux.
