Constructeurs aérospatiaux, les industries, et les agences gouvernementales apprécient la liberté de conception et la commodité offertes par la fabrication additive, un processus similaire à l'impression 3D. Mais ces pièces ont-elles les mêmes propriétés, surtout la force, que ceux fabriqués à l'aide de la méthode soustractive plus conventionnelle - tournés sur un tour à partir d'un stock solide? Une étude récente de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a mené des tests de résistance pour le savoir.

Des cylindres fabriqués de manière additive ont été obtenus en Ti-6AL-4V, un alliage de titane qui contient environ 90 pour cent de titane, six pour cent d'aluminium, et quatre pour cent de vanadium—Ti64 en abrégé.

Des couches d'alliage de titane sous forme de poudre sont fondues localement par un laser à haute puissance et constituées couche par couche en une forme guidée par un algorithme de conception assistée par ordinateur. Chaque couche collée en place par le faisceau laser n'a que 30 microns d'épaisseur. Par comparaison, un cheveu humain mesure environ 100 microns. Au fur et à mesure que des couches sont ajoutées, ils continuent à être fondus par le laser et sont liés à ceux ci-dessous.

Dans l'expérience, le cylindre est pris en sandwich entre deux barres d'acier qui sont longues, fort, et relativement épais. Une autre barre, appelé une barre d'attaquant, est propulsé à l'aide d'air comprimé afin qu'il heurte la première barre. Il transmet une impulsion de contrainte qui passe ensuite à travers la barre et dans l'échantillon, et les signaux enregistrés représentent une courbe contrainte-déformation pour le matériau Ti64, selon John Lambros, professeur au Département de génie aérospatial et directeur du Laboratoire d'essai et d'évaluation des matériaux avancés à l'U of I.

En raison de la méthode additive, il y a une directivité à la microstructure des cylindres, comme une couture entre chacune des couches, créant une sorte de structure de grain au matériau.

"Notre conviction initiale était que la stratification aurait un impact énorme sur les propriétés de résistance du matériau, " Lambros a déclaré. "La structure est très différente du matériau forgé traditionnellement. Les grains sont plus allongés et plus gros, atteignant des centaines de microns. Dans le matériau forgé, les grains sont beaucoup plus petits et plus arrondis. Mais l'additif Ti64 n'a pas cassé comme nous le pensions. C'était, pour moi, la chose la plus surprenante.

"Nous avons constaté qu'ils se cassaient parfois sur les coutures micro-structurelles. Ce sont des plans qui offrent le moins de résistance. Mais nous avons appris que l'interface de couche elle-même est assez solide. L'additif Ti64 casse en fait plus ou moins comme un matériau ordinaire se briserait. Cela signifie que même dans ces circonstances et charges extrêmes, c'est assez bon. Les techniques actuelles de fabrication additive métallique produisent des pièces bien meilleures qu'il y a cinq ans à peine. Par rapport aux générations précédentes de builds, ces nouveaux métaux fabriqués de manière additive sont fantastiques, " dit Lambros.

Lambros a déclaré que le niveau de contrainte auquel ces matériaux ont été soumis n'est pas un niveau de compression pour lequel il serait conçu, pas pour les applications normales. Ils ont également testé le titane conventionnel en utilisant du titane forgé ordinaire et ont fait les mêmes expériences.

"Le niveau de compressions que nous avons utilisé dans cette expérience était similaire aux événements d'impact, comme ceux vus dans un accident ou une explosion, " dit-il. " Mais pour de nombreuses applications, les concepteurs voudraient avoir cette information pour bien comprendre les limites du matériau.

"Jusque là, ce que nous avons vu, c'est que les pièces fabriquées de manière additive sont bonnes, fiables et cohérentes. Et certainement aussi bon, sinon mieux dans certains cas, que le matériel ordinaire. La microstructure est très différente, les grains par exemple. Ils ont l'air très différents. Il y a beaucoup de stress résiduel parce que ces matériaux fabriqués de manière additive ont subi un passé très violent pour en arriver là - une histoire tortueuse semblable au soudage car les lasers chauffent les couches lorsqu'elles sont appliquées. Ils laissent des contraintes là-dedans qui affecteraient les choses. Mais, apparemment pas tant que ça au final."

Lambros a déclaré que lorsque les pièces sont certifiées pour le vol, ils sont examinés dès le début de leur vie, c'est-à-dire à partir de la façon dont le matériau d'origine a été fabriqué, jusqu'à la conception de la pièce et son utilisation dans l'avion. Beaucoup de choses doivent se passer avant qu'une pièce obtienne l'approbation de la FAA.

"Bien qu'au départ, il y ait eu toutes sortes de problèmes avec ces matériaux AM, " il a dit, "Maintenant, c'est au point que le produit est en fait assez bon. C'est comparable à ce que vous obtiendriez avec votre matériau généralement forgé ou usiné et dans certains cas, c'est peut-être encore mieux, rapprochant les pièces fabriquées de manière additive de la certification."

L'étude, "Loading Orientation Effects on the Strength Anisotropy of Additively-Manufactured Ti-6Al-4V Alloys under Dynamic Compression" a été écrit par R.F. Waymel, Huck Beng Chew, et John Lambros. Il est publié dans un numéro spécial de Mécanique expérimentale sur la fabrication additive.