Matthew Thompson, doctorant en génie des matériaux, charge un creuset dans un four pour chauffer et éliminer les liants des échantillons de céramique imprimés en 3D ( crédits de toutes les photos : Université Purdue/Charles Jischke)
Soutenue par des infrastructures de pointe comme le Birck Nanotechnology Center, l’université Purdue, une institution d’enseignement supérieur, d’étude et de recherche, située à West Lafayette aux États-Unis, s’illustre régulièrement pour ses travaux dans le domaine des matériaux innovants. La bonne nouvelle est que nombre d’entre-eux concernent la fabrication additive.
Dernièrement, c’est la Purdue Applied Research Institute (PARI) qui a officialisé des travaux sur une méthode de fabrication additive de type DLP (Digital Light Processing) pour imprimer en 3D des céramiques sombres. La capacité de ces matériaux à résister aux conditions difficiles du vol hypersonique, permettrait de réaliser des formes complexes pour les composants de véhicules hypersoniques.
L’objectif des chercheurs est d’imprimer en 3D des composants à grande échelle pour améliorer l’efficacité et les performances. Un défi de taille qui mobilise des experts comme Rodney Trice, professeur à l’École d’ingénierie des matériaux, chargé d’optimiser ces céramiques pour la fabrication additive au sein du Hypersonics Advanced Manufacturing Technology Center (HAMTC) du PARI :
« Les céramiques sombres sont des matériaux idéaux pour les composants de véhicules hypersoniques, car elles sont moins susceptibles de se fissurer ou de se dégrader en raison de conditions atmosphériques extrêmes. Pour fabriquer des composants en céramique hypersonique, Trice et son équipe utilisent des imprimantes 3D à traitement numérique de la lumière (DLP) hébergées au HAMTC » explique le chercheur « Cela vous permet de produire des conceptions et des géométries complexes avec des surfaces très lisses et un niveau de précision au niveau du micron. Grâce à ce processus, nous avons réussi à imprimer une variété de formes, telles que des cônes et des hémisphères pointus, qui sont utilisés pour construire un véhicule hypersonique. »
Les céramiques sombres, qui doivent leur couleur foncée à la présence de composés chimiques tels que par exemple le carbure de silicium, posent des défis durant la phase de photopolymérisation. Les protagonistes expliquent que cela vient de la façon dont leur couleur interagit avec la lumière UV projetée par l’imprimante 3D. Une céramique de couleur claire, comme l’alumine, réfléchira et dispersera la lumière, durcissant toute la couche d’un coup. Les céramiques sombres, en revanche, ont tendance à absorber cette lumière et, par conséquent, inhibent le processus de durcissement.
« Comme les poudres foncées absorbent la lumière UV qui serait nécessaire pour durcir le matériau, nous ne pouvons pas former une couche aussi épaisse », a déclaré Trice. « Par conséquent, nous obtenons des profondeurs de durcissement trop fines, ce qui a ensuite un impact négatif sur le temps nécessaire à la fabrication de chaque pièce. »
« Nous avons ajusté les propriétés et effectué des modifications de surface pour améliorer leurs performances et améliorer le processus d’impression »
Matthew Thompson, candidat au doctorat en génie des matériaux et bénéficiaire d’une bourse d’études supérieures en sciences et ingénierie de la défense nationale, et Dylan Crump, ingénieur de recherche en céramique au HAMTC, ont travaillé avec Trice pour étudier les systèmes de résine, les traitements de surface et d’autres approches pour augmenter les profondeurs de durcissement. « Nous avons essentiellement fonctionné comme un banc d’essai de recherche et développement pour ces matériaux », a déclaré Thompson. « Nous avons ajusté les propriétés et effectué des modifications de surface pour améliorer leurs performances et améliorer le processus d’impression. »
La difficulté à pouvoir traiter de ce type de céramique, ne s’arrête pas au processus impression. Trice, Thompson et Crump expliquent que différents défauts peuvent apparaître pendant la phase de post-traitement, laquelle devient encore plus difficile à mesure que la taille des pièces imprimées augmente. Plus les composants sont grands, et plus le risque de délaminage ou de fissuration augmentent. Ils veulent s’assurer que ces risques ne compromettent pas les composants lors de la transition d’une imprimante à petite échelle vers une plus grande.
« Ce que nous essayons de faire, c’est de trouver des solutions pour mettre en place un pipeline pour fabriquer ces pièces ou trouver des stratégies que les parties prenantes réelles peuvent utiliser », conclut Thompson. « Cela donne aux gens un point de départ pour gagner du temps sur la recherche et le développement de tout nouveau système. »
Ce projet porté par la Purdue Applied Research Institute (PARI) compte parmi les cinq financés par le programme de science et de technologie de fabrication du bureau du secrétaire à la Défense, en partenariat avec le Naval Surface Warfare Center, Crane Division, et le National Security Technology Accelerator’s Strategic and Spectrum Missions Advanced Resilient Trusted Systems. Si on ignore la composition des céramiques sombres développées par l’université Purdue, précisons qu’il existe des technologies d’impression 3D capables de les traiter. Spécialisé dans les imprimantes 3D céramique, le fabricant autrichien Lithoz dispose d’un système (CeraMax Vario V900) pouvant imprimer le carbure de silicium et le nitrure de silicium.
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