Le scientifique de Lawrence Livermore, Luke Thornley, a aidé à concevoir le métal semi-solide, un mélange bismuth-étain, qui peut être extrudé à travers la buse d'une imprimante 3D spécialement conçue. Crédit :Kate Hunts/LLNL
L'impression 3D en métal a un énorme potentiel pour révolutionner la fabrication moderne. Cependant, les procédés d'impression sur métal les plus populaires, qui utilisent des lasers pour fusionner de la poudre métallique fine, ont leurs limites. Les pièces produites à l'aide de la fusion laser sélective (SLM) et d'autres techniques de métal à base de poudre se retrouvent souvent avec des lacunes ou des défauts causés par divers facteurs.
Pour surmonter les inconvénients de la SLM, Chercheurs du Laboratoire national Lawrence Livermore, avec des collaborateurs du Worchester Polytechnic Institute, adoptent une toute nouvelle approche de l'impression 3D sur métal avec un processus qu'ils appellent l'écriture directe sur métal, dans lequel le métal semi-solide est directement extrudé à partir d'une buse. Le métal est conçu pour être un matériau amincissant par cisaillement, ce qui signifie qu'il agit comme un solide à l'arrêt, mais coule comme un liquide lorsqu'une force est appliquée. Les résultats de l'étude en cours de trois ans ont été publiés en février dans Lettres de physique appliquée .
"Nous sommes dans un nouveau territoire, " a déclaré l'auteur principal Wen Chen, un scientifique des matériaux du LLNL. "Nous avons mis au point une nouvelle technique de fabrication additive métallique que les gens ne connaissent pas encore. Je pense que beaucoup de gens seront intéressés à poursuivre ce travail et à l'étendre à d'autres alliages."
Au lieu de commencer avec de la poudre métallique, la technique d'écriture directe sur métal utilise un lingot qui est chauffé jusqu'à ce qu'il atteigne un état semi-solide - les particules métalliques solides sont entourées d'un métal liquide, résultant en un comportement pâteux, puis il est forcé à travers une buse. Le matériau est amincissant par cisaillement car, quand il est au repos, les particules métalliques solides s'agglutinent et rendent la structure solide. Dès que le matériel bouge, ou est en cisaillement, les particules solides se brisent et le système agit comme la matrice liquide. Il durcit en refroidissant, il y a donc moins d'oxyde incorporé et moins de contraintes résiduelles dans la pièce, les chercheurs ont expliqué.
Bien qu'encouragés par leur succès dans l'impression d'éprouvettes, les chercheurs ont averti que la méthode en est encore à ses débuts et nécessitera plus de travail pour obtenir des pièces à plus haute résolution avec des métaux plus adaptés à l'industrie, comme l'aluminium et le titane. Dans le journal, l'équipe a produit des pièces à l'aide d'un mélange bismuth-étain, dont le point de fusion est inférieur à 300 degrés Celsius. Le processus a pris de nombreuses itérations pour réussir, alors que les chercheurs se sont heurtés au problème des dendrites, des doigts de métal solide qui se coinceraient dans la buse.
« Le principal problème était d'avoir un contrôle très strict sur le flux, " a déclaré Andy Pascall, ingénieur LLNL. " Vous avez besoin d'un contrôle précis de la température. Comment tu le remues, à quelle vitesse tu le remues, tout fait la différence. Si vous pouvez obtenir les propriétés du flux correctement, alors vous avez vraiment quelque chose. Ce que nous avons fait, c'est vraiment comprendre la façon dont le matériau s'écoule à travers la buse. Maintenant, nous avons un si bon contrôle que nous pouvons imprimer des structures autoportantes. Cela n'a jamais été fait auparavant."
Les chercheurs ont déclaré que la dernière étude fournirait des conditions de fonctionnement précises pour l'impression avec du métal directement à partir d'une buse. Ils se tournent déjà vers les alliages d'aluminium, un métal qui serait plus attractif pour des industries telles que l'aérospatiale et les transports, mais présentera des défis en raison de son point de fusion plus élevé.
Contrairement aux autres techniques d'impression 3D métalliques qui utilisent des lasers pour fusionner la poudre métallique, l'approche d'écriture directe sur métal incorpore un lingot qui est chauffé jusqu'à ce qu'il atteigne un état semi-solide avant d'être forcé à travers une buse. En refroidissant, le matériau durcit pour former une structure métallique 3D. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
"Pouvoir imprimer des pièces en métal de cette manière est potentiellement important, " a déclaré le scientifique Luke Thornley, qui a travaillé sur l'ingénierie du matériau. « Une grande partie du travail de validation et d'analyse des défauts serait éliminée. Nous pouvons utiliser moins de matériaux pour fabriquer des pièces, c'est-à-dire des parties plus légères, ce qui serait important pour l'aérospatiale."
