Si l’impression 3D métal connait aujourd’hui une croissance sans précédent, de nombreux aspects restent encore à améliorer pour accélérer son adoption chez les industriels. Les impressions métalliques réalisées par fusion laser sur lit de poudre, souffrent en effet d’un problème courant. Durant la fusion, de minuscules cavités peuvent se former et fragiliser l’objet. Comme les pièces imprimées en métal se destinent très largement à une utilisation finale, ces défauts en apparence mineurs, peuvent avoir de graves conséquences sur leur résistance.
Dans un article publié récemment dans Science, des chercheurs de l’Université Carnegie Mellon et du laboratoire américain d’Argonne, sont parvenus à identifier les causes menant à la formation de ces cavités appelées aussi « trous de serrure » (en anglais: keyhole). Pour expliquer leur origine, l’équipe de scientifiques s’est appuyée sur l’imagerie à rayons X d’ultra-haute vitesse de l’Advanced Photon Source (APS) d’Argonne, l’un des trois plus grands synchrotrons au monde.
Pour les plus néophytes, rappelons que le procédé de fabrication additive étudié, consiste à faire fondre une fine couche de poudre métallique à l’aide d’un puissant laser. Les particules métalliques fusionnent rapidement, puis une nouvelle couche de métal est déposée.
Mais l’étude nous apprends que si la puissance du laser est trop élevée et focalise trop d’énergie trop longtemps sur un point, il peut percer la seconde couche. Le bouillonnement du métal entraîne la formation de poches de gaz qui se retrouvent piégées entre les couches. La présence de ces pores peut engendrer des fissures qui constituent tout autant de points de faiblesse dans la pièce.
« En fait, tu es vraiment en train de percer un trou dans le métal »
Equipe de chercheurs de l’Université Carnegie Mellon et du laboratoire américain d’Argonne
Jusqu’alors les fabricants et les chercheurs n’avaient pas clairement identifié les causes du phénomène. Supposant que le type de poudre métallique et la puissance du laser étaient en cause, ces derniers axaient principalement leurs recherches sur la combinaison de différents types de métaux et de lasers pour tenter de réduire le risque. Ce que révèle justement l’étude, c’est qu’importe le laser ou le métal utilisé, la formation de ces cavités ne peut être maîtrisée que par un paramétrage laser.
« Nous révélons ce qui se passe vraiment », explique Anthony Rollett, co-auteur de l’article et professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Université Carnegie Mellon, « La plupart des gens pensent que l’on fait briller une lumière laser sur la surface d’une poudre métallique, que la lumière est absorbée par le matériau et qu’elle fait fondre le métal dans un bain de fusion. En fait, tu es vraiment en train de percer un trou dans le métal. »
Pour se prémunir de ces malfaçons, les protagonistes de l’étude incitent les fabricants d’imprimantes 3D métal à développer des machines avec des réglages de laser plus fins. Grâce à la technologie APS, les chercheurs sont en mesure de prédire les propriétés des cavités telles que sa profondeur, et ajuster les paramètres de la machine telles que la vitesse de déplacement, l’angle et la puissance des lasers.
Ils sont plusieurs constructeurs dont SLM, Concept Laser et EOS par exemple, à proposer des systèmes de contrôle en temps réel du bain de fusion. Une photodiode permet de montrer les irrégularités dans le processus de fonte.
Images radiographiques montrant la formation des poches de gaz
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