Une nouvelle méthode efficace et économique pour l’impression 3D de métaux

Une équipe de chercheurs anglais a mis au point une nouvelle méthode pour l’impression 3D de métaux qui pourrait aider à réduire les coûts et à optimiser l’utilisation des ressources. Cette méthode permet de « programmer » des modifications structurelles dans les alliages métalliques pendant l’impression 3D, affinant leurs propriétés sans le processus de « chauffage et martelage » qui est en usage depuis des milliers d’années.

La nouvelle méthode d’impression 3D combine les meilleures qualités des deux mondes : les formes complexes que l’impression 3D rend possible, et la capacité d’ingénierie de la structure et des propriétés des métaux que permettent les méthodes traditionnelles.

Les avantages et les inconvénients de l’impression 3D

L’impression 3D présente plusieurs avantages par rapport à d’autres méthodes de fabrication. Par exemple, il est beaucoup plus facile de produire des formes complexes avec l’impression 3D, et elle utilise beaucoup moins de matériau que les méthodes traditionnelles de fabrication de métaux, ce qui en fait un processus plus efficace. Cependant, elle présente également des inconvénients significatifs.

« Il y a beaucoup de promesses autour de l’impression 3D, mais elle n’est toujours pas largement utilisée dans l’industrie, principalement à cause des coûts de production élevés », a déclaré le Dr Matteo Seita du Département d’ingénierie de Cambridge, qui a dirigé la recherche. « L’un des principaux facteurs de ces coûts est la quantité d’ajustements que les matériaux nécessitent après la production. »

Le défi de la structure interne

Depuis l’âge du bronze, les pièces métalliques sont fabriquées par un processus de chauffage et de martelage. Cette approche, où le matériau est durci avec un marteau et adouci par le feu, permet au fabricant de former le métal dans la forme désirée et en même temps d’impartir des propriétés physiques telles que la flexibilité ou la résistance.

« La raison pour laquelle le chauffage et le martelage sont si efficaces est qu’ils modifient la structure interne du matériau, permettant de contrôler ses propriétés », a indiqué Matteo Seita. « C’est pourquoi il est toujours utilisé après des milliers d’années. »

L’un des principaux inconvénients des techniques actuelles d’impression 3D est l’incapacité de contrôler la structure interne de la même manière, c’est pourquoi tant de modifications post-production sont nécessaires.

Une nouvelle « recette » pour l’impression 3D de métaux

En collaboration avec des collègues de Singapour, de Suisse, de Finlande et d’Australie, Matteo Seita a développé une nouvelle « recette » pour l’impression 3D de métaux qui permet un haut degré de contrôle sur la structure interne du matériau pendant qu’il est fondu par un laser.

En contrôlant la manière dont le matériau se solidifie après la fusion, et la quantité de chaleur qui est générée pendant le processus, les chercheurs peuvent programmer les propriétés du matériau final.

En synthèse

Les métaux imprimés en 3D sont intrinsèquement forts, mais aussi fragiles. La stratégie que les chercheurs ont développée donne un contrôle total sur la résistance et la ténacité, en déclenchant une reconfiguration contrôlée de la microstructure lorsque la pièce en métal imprimée en 3D est placée dans un four à une température relativement basse. Leur méthode utilise des technologies d’impression 3D basées sur le laser conventionnelles, mais avec une petite modification du processus.

« Nous avons découvert que le laser peut être utilisé comme un ‘marteau microscopique’ pour durcir le métal pendant l’impression 3D », a dit le Dr. Seita. « Cependant, en faisant fondre le métal une deuxième fois avec le même laser, la structure du métal se détend, permettant la reconfiguration structurelle de se produire lorsque la pièce est placée dans le four. »

Leur acier imprimé en 3D, qui a été conçu théoriquement et validé expérimentalement, a été fabriqué avec des régions alternées de matériau fort et résistant, rendant ses performances comparables à celles de l’acier qui a été fabriqué par chauffage et martelage.

« Nous pensons que cette méthode pourrait aider à réduire les coûts de l’impression 3D de métaux, ce qui pourrait à son tour améliorer la durabilité de l’industrie de la fabrication de métaux », a précisé le Dr. Seita. « Dans un avenir proche, nous espérons également pouvoir contourner le traitement à basse température dans le four, réduisant encore le nombre d’étapes nécessaires avant d’utiliser des pièces imprimées en 3D dans des applications d’ingénierie. »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la nouvelle méthode d’impression 3D de métaux?

C’est une méthode développée par une équipe de chercheurs de l’Université de Cambridge qui permet de programmer des modifications structurelles dans les alliages métalliques pendant l’impression 3D. Cela permet d’affiner leurs propriétés sans le processus traditionnel de «chauffage et martelage».

Quels sont les avantages de l’impression 3D par rapport aux autres méthodes de fabrication?

L’impression 3D permet de produire des formes complexes plus facilement et utilise beaucoup moins de matériau que les méthodes traditionnelles de fabrication de métaux, ce qui en fait un processus plus efficace.

Quels sont les inconvénients de l’impression 3D?

Un des principaux inconvénients de l’impression 3D est l’incapacité de contrôler la structure interne du matériau de la même manière que les méthodes traditionnelles, ce qui nécessite beaucoup de modifications post-production.

Comment fonctionne la nouvelle « recette » pour l’impression 3D de métaux?

La nouvelle «recette» permet un haut degré de contrôle sur la structure interne du matériau pendant qu’il est fondu par un laser. En contrôlant la manière dont le matériau se solidifie après la fusion, et la quantité de chaleur qui est générée pendant le processus, les chercheurs peuvent programmer les propriétés du matériau final.

Quels sont les avantages potentiels de cette nouvelle méthode?

Cette méthode pourrait aider à réduire les coûts de l’impression 3D de métaux, ce qui pourrait à son tour améliorer la durabilité de l’industrie de la fabrication de métaux. De plus, elle pourrait permettre de contourner le traitement à basse température dans le four, réduisant encore le nombre d’étapes nécessaires avant d’utiliser des pièces imprimées en 3D dans des applications d’ingénierie.

Les résultats sont rapportés dans la revue Nature Communications. L’équipe de recherche comprenait des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang, de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR), de l’Institut Paul Scherrer, du Centre de recherche technique VTT de Finlande, et de l’Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaires. Matteo Seita est un Fellow du St John’s College, Cambridge.

Shubo Gao et al. ‘Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties.’ Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42326-y