Une technologie développée à l'origine pour lisser et modeler les faisceaux laser de haute puissance pour le National Ignition Facility (NIF) peut être utilisée pour imprimer en 3D des objets métalliques plus rapidement que jamais auparavant, selon une nouvelle étude des chercheurs de Lawrence Livermore.

Une équipe de scientifiques du laboratoire rapporte les résultats dans le dernier numéro de Optique Express , publié en ligne le 15 mai. Cette nouvelle méthode - Diode-based Additive Manufacturing (DiAM) - utilise des matrices de diodes laser haute puissance, un laser à commutation Q et un modulateur laser spécialisé développé pour NIF pour imprimer en flash une couche entière de poudre métallique à la fois, au lieu d'un balayage tramé avec un laser sur chaque couche, comme avec les systèmes conventionnels de fabrication additive par fusion sur lit de poudre (PBFAM) à base de laser.

Le résultat, les chercheurs ont dit, est la possibilité que de grands objets métalliques puissent être imprimés en une fraction du temps nécessaire pour les imprimantes 3D métalliques sur le marché aujourd'hui, élargir les possibilités pour les industries nécessitant des pièces métalliques plus grandes, comme l'aérospatiale et l'automobile. La combinaison de la vitesse et du degré de flexibilité de conception offerte par la méthode DiAM, l'équipe a conclu, est potentiellement « bien au-delà » de celui des systèmes actuels basés sur la fusion sur lit de poudre.

"En réduisant le temps d'impression et en ayant la capacité de monter en gamme, ce procédé pourrait révolutionner la fabrication additive métallique, " a déclaré Ibo Matthews, un scientifique du LLNL à la tête de la recherche et l'auteur principal de l'article. "Le gain de temps d'éclairage, Nous estimons, est telle qu'une construction d'un mètre cube qui nécessiterait 10 ans d'éclairage à balayage tramé ne nécessiterait que quelques heures avec DiAM, parce que vous pouvez imager chaque couche à la fois. L'impression avec une image en niveaux de gris peut également vous permettre de réduire les contraintes résiduelles car vous pouvez adapter les contraintes thermiques dans l'espace et dans le temps."

La « magie » du processus, Matthews a dit, est la mise en œuvre d'un modulateur laser personnalisé appelé OALV (Optically Addressable Light Valve), qui contient une cellule à cristaux liquides et un cristal photoconducteur en série. Tout comme un projecteur à cristaux liquides, les chercheurs ont expliqué, l'OALV est utilisé pour sculpter dynamiquement la lumière laser haute puissance en fonction d'images préprogrammées couche par couche. Mais contrairement à un projecteur à cristaux liquides conventionnel, l'OALV n'est pas pixelisé et peut gérer des puissances laser élevées.

La technologie a été initialement conçue et installée dans NIF dans le cadre du système LEOPARD (Laser Energy Optimization by Precision Adjustments to the Radiant Distribution), qui a été déployé en 2010 et a remporté un prix R&D 100 en 2012. Au NIF, l'OALV est utilisé pour optimiser le profil des faisceaux laser et localement ombrager et protéger les optiques soumises à des intensités et fluences plus élevées (ou densité d'énergie - la quantité d'énergie laser pour une unité de surface donnée). Avec LEOPARD, NIF protège électroniquement les régions de ses faisceaux contenant des défauts potentiellement menaçants sur ses optiques finales, tel qu'identifié par le système d'inspection finale des dommages optiques (FODI). Cela permet au NIF de continuer à tirer jusqu'à ce que le calendrier permette de retirer ces optiques, réparé et réintroduit dans la ligne de lumière.

L'équipe qui a démontré la première fois que le modulateur de lumière pouvait être utilisé pour l'impression de pièces était initialement dirigée par James DeMuth, un ancien chercheur du LLNL. John Heebner, le scientifique du LLNL qui a dirigé le développement de l'OALV a décrit son utilisation dans l'impression 3D métallique comme une "synergie naturelle".

"Le projet DiAM associe deux technologies que nous avons mises au point au Lab - les matrices de diodes laser haute puissance et l'OALV, " a déclaré Heebner. " Étant donné que nous avons mis tout ce temps et ce développement dans cette valve de lumière, c'est devenu une extension naturelle pour l'appliquer à ce projet. Nous avons fait quelques calculs et il était clair dès le départ que cela fonctionnerait (avec l'impression 3D). La possibilité de changer un processus en série en un processus parallèle est essentielle pour garantir que, à mesure que les pièces augmentent en complexité ou en taille, la vitesse du processus de modélisation peut être augmentée pour rattraper son retard. »

Outre la possibilité de produire potentiellement des pièces plus grandes, l'utilisation d'une telle valve permet d'obtenir une qualité d'image qui rivalise et pourrait dépasser les imprimantes 3D métalliques d'aujourd'hui, et la possibilité d'affiner les gradients dans l'image projetée permet un meilleur contrôle des contraintes résiduelles et de la microstructure du matériau, les chercheurs ont dit.

Avec l'impression DiAM, la lumière laser provient d'un ensemble de quatre réseaux de diodes laser et d'un laser pulsé à la nanoseconde. Il passe par l'OALV, qui modèle une image d'une "tranche" bidimensionnelle de la partie 3-D souhaitée. Les images passent d'un fichier informatique numérique au laser dans un processus de modulation à cristaux liquides en deux étapes. Dans la première étape, les images proviennent d'un modèle CAO numérisé et sont imprimées sur une source LED bleue de faible puissance à l'aide d'un ordinaire, projecteur à cristaux liquides pixélisé. Dans la deuxième étape, les images bleues activent la couche photoconductrice de l'OALV en créant des plaques conductrices locales (où la lumière bleue est présente) qui transfèrent la tension à sa couche de cristaux liquides. Cela permet aux images bleues de faible puissance de moduler le faisceau laser de haute puissance. Le faisceau est ensuite dirigé sur un plan de construction, l'impression de toute la couche métallique à la fois. Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé de la poudre d'étain, démontrant avec succès l'impression de deux petits modèles 3D, une roue (une petite structure d'aube de turbine) et le logo LLNL.

Bien que l'accélération du processus d'additifs métalliques ait été l'un des principaux moteurs de la poursuite de la technologie à LLNL, la plus grande taille de construction pourrait potentiellement avoir une valeur significative pour la mission principale du laboratoire de gestion des stocks, les chercheurs ont dit. Les diodes laser - qui fournissent la majeure partie de l'énergie par rapport au système laser pulsé - sont également bon marché à l'achat, un tel système serait donc plus rentable que les machines à laser à fibre sur le marché aujourd'hui.