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Les défauts d’impression 3D vous dépriment ? L’analyse des îles ne résoudra pas tout



Le balayage d’îlots n’est pas le moyen optimal de réduire les contraintes résiduelles dans les pièces et ne fonctionne pas dans tous les scénarios, selon le NIST et d’autres chercheurs.

Les chercheurs ont découvert qu’une technique qu’ils utilisaient pour prévenir les défauts dans les pièces métalliques imprimées en 3D n’était peut-être pas la solution prometteuse qu’elle prétend être.

Une équipe collaborative de chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), du Lawrence Livermore National Laboratory, du Los Alamos National Laboratory et d’autres institutions a découvert qu’un motif d’impression appelé « numérisation d’îlots » souvent utilisé dans l’industrie pour réduire le stress résiduel dans L’impression 3D métal n’est pas une panacée et ne doit être utilisée que dans des circonstances spécifiques. La contrainte résiduelle est un sous-produit du chauffage et du refroidissement répétés nécessaires à la fabrication de pièces métalliques imprimées en 3D, qui peuvent créer des défauts dans les pièces finies et même endommager les imprimantes.

Laboratoire national Lawrence Livermore/M. Strantzametal3ddefects.jpg

À l’aide d’une méthode laser, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et d’autres institutions ont imprimé en 3D quatre ponts métalliques miniatures, chacun réalisé avec un motif d’impression différent (rangées). L’équipe a mesuré les niveaux de tension (rouge) et de compression (bleu) dans les ponts dans trois directions différentes, identifiant des niveaux élevés de tension verticale le long des bords de certains spécimens.

Le balayage d’îlots se fait principalement par fusion laser sur lit de poudre (LPBF), un processus d’impression 3D métallique courant dans lequel un laser balaye une couche de poudre métallique selon un motif prédéterminé, faisant fondre et fusionnant les particules à la surface ensemble. Au fur et à mesure que le métal en fusion se refroidit en un solide, une platine supportant le matériau s’abaisse et l’imprimante ajoute une nouvelle couche de poudre sur le dessus. De cette façon, le laser peut construire la pièce de haut en bas.

C’est généralement dans la deuxième couche d’une pièce métallique que la contrainte résiduelle peut commencer à apparaître, ont déclaré les chercheurs. Les métaux utilisés dans ce processus refroidissent rapidement, donc au moment où une nouvelle couche est chauffée, le métal de la couche précédente est déjà solide. Les couches fondues se contractent vers l’intérieur en refroidissant, ce qui tire sur le métal solide en dessous et crée une contrainte dans un processus qui se répète avec chaque couche jusqu’à ce que la pièce soit terminée. Cela verrouille en permanence la contrainte dans le métal solide, a déclaré Thien Phan, ingénieur de recherche sur les matériaux du NIST.

« Vous vous retrouvez avec une quantité incroyable de contraintes résiduelles à l’intérieur de votre pièce », a déclaré Phan, l’un des scientifiques qui ont travaillé sur la recherche, dans un communiqué de presse. « Alors il est assis là, se déchirant. La contrainte résiduelle pourrait fissurer la pièce et la soulever pendant la construction, ce qui pourrait en fait faire planter la machine. »

Numérisation d’îles à la rescousse ?

Le motif d’impression le plus simple dans LPBF est un balayage continu, dans lequel le laser balaye d’un bout à l’autre de la pièce. Cependant, les chercheurs se sont tournés vers le balayage d’îlots comme alternative, en faisant fondre de petites sections, ou îlots, de métal une par une plutôt qu’une couche entière. Cela se traduit généralement par moins de contraction du métal en même temps, ce qui en théorie devrait réduire la contrainte globale du produit fini.

Cependant, bien que la numérisation des îles soit une technique populaire auprès des fabricants, les recherches sur son bon fonctionnement n’ont pas été concluantes. De plus, les chercheurs n’ont jamais fait un lien complet entre les stratégies de balayage et leur effet sur le stress résiduel.

L’étude récente visait à approfondir la façon dont, le cas échéant, le balayage des îles réduit le stress résiduel et dans quels cas. Et ce que les chercheurs ont découvert, c’est qu’il ne s’agit pas d’une stratégie à toute épreuve qui fonctionne pour tous les types de métal ou de scénarios dans les processus LPBF.

Pour tester le balayage d’îlots, les chercheurs ont imprimé quatre ponts en alliage de titane d’un peu plus de deux centimètres (0,8 pouce) de long en utilisant un balayage continu ou en îlot, avec des lasers fonctionnant sur toute leur longueur et leur largeur ou à un angle de 45 degrés.

Alors qu’en surface, les ponts semblaient similaires à la sortie de l’imprimante, en utilisant des rayons X à haute énergie générés par un outil puissant appelé synchrotron, les chercheurs ont découvert les nuances des pièces qui leur ont donné des détails plus précis sur les résultats.

Résultats surprenants

En mesurant les longueurs d’onde des rayons X qui se sont réfléchis sur le métal, l’équipe a extrait les distances entre les atomes de métal avec une grande précision pour calculer le stress ; plus les distances étaient grandes, plus le métal était sollicité. Ils ont utilisé ces informations pour générer des cartes montrant l’emplacement et le degré de stress dans les échantillons.

Alors que tous les échantillons contenaient des contraintes proches de la limite d’élasticité de l’alliage de titane, qui est le point auquel un matériau subit une déformation permanente, les cartes ont montré autre chose qui a surpris les chercheurs. Les pièces fabriquées à l’aide de la numérisation en îlot présentaient des contraintes importantes sur leurs côtés et leurs sommets que les échantillons de numérisation en continu n’avaient pas.

« Si l’analyse des îles est un moyen par lequel l’industrie essaie d’atténuer ces stress, je dirais que, pour ce cas particulier, c’est loin d’être un succès », a observé le physicien du NIST Lyle Levine dans un communiqué de presse.

Pour tester davantage, les chercheurs ont détaché une jambe de chaque pont des plaques de base métalliques auxquelles il était collé et ont mesuré la distance à laquelle les jambes ont jailli vers le haut – un autre indicateur de la quantité de contrainte résiduelle stockée à l’intérieur de l’arc de chaque pont. Dans cet exemple encore, les échantillons réalisés à l’aide d’un balayage d’îlots se sont mal comportés, les pattes des ponts ainsi réalisés déviant de plus de deux fois plus que les autres échantillons.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue La fabrication additive.

L’équipe a conclu par son étude que le balayage d’îlots peut ne pas être bien adapté à toutes les pièces métalliques en tant que solution aux contraintes résiduelles. Cependant, cela peut toujours fonctionner dans certaines circonstances, bien que les fabricants doivent utiliser des modèles informatiques pour décider quelles pièces seraient les mieux adaptées à l’utilisation de cette solution.

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