4 matériaux sur mesure créés pour la fabrication additive

Avec la croissance continue de la fabrication additive, les entreprises et les chercheurs ont mis au point diverses sous-technologies, modules complémentaires et moyens d'optimiser les impressions. Cependant, un autre moyen d'atteindre un objet optimisé consiste à optimiser le matériau utilisé. Cela a donné naissance à divers matériaux conçus pour l'impression 3D, qui présentent tous des propriétés idéales obtenues grâce à un contrôle précis.

Certains de ces matériaux ont été conçus très spécifiquement pour ou avec l'impression 3D et présentent ainsi la technologie avec de nouvelles caractéristiques et fonctionnalités. Voici quelques-uns des matériaux les plus prometteurs :

Scalmalloy

Crédit photo :Beamler

Présenté comme le premier matériau original spécifiquement développé pour l'impression 3D, ce mélange de scandium (SC), d'aluminium (AL) et de magnésium (M) a été amalgamé en un seul alliage. Le matériau a été initialement développé et breveté par APWorks, une filiale du groupe Airbus. En tant que matériau d'impression métallique, il présente des caractéristiques uniques telles qu'une résistance accrue (principalement en raison de la présence de scandium).

En termes de résistance, il peut surpasser l'aluminium traditionnel et beaucoup de ses alliages dérivés. Il est encore plus résistant que le titane tout en étant léger et résistant à la corrosion. Bien sûr, le matériau peut être coûteux à créer car il contient du scandium, un métal rare également coûteux à extraire de ses minerais. Les prix du scandium peuvent fluctuer entre 4 000 USD et 20 000 USD par kilogramme, les principaux sites miniers étant situés en Chine et en Russie.

Scalmalloy est le plus utile pour les pièces à haute endurance et durables. C'est pourquoi il devient populaire dans l'industrie automobile et la robotique, faisant souvent partie des échangeurs de chaleur. Comme on peut s'en douter, Scalmalloy joue également un rôle central dans son industrie d'origine :l'aérospatiale.

Matériaux SLM NewGen

Crédit photo :Université technique de Graz        

Ce métal est une gracieuseté de TU Graz en Autriche, qui a appliqué un mélange de nitrure de silicium pour développer de l'acier inoxydable dédié au métal-AM. Appelés matériaux NewGen SLM, ils présentent des réactions plus contrôlées pendant le processus de formation, ce qui améliore la finition de surface et minimise le besoin de supports. L'acier inoxydable 316L est l'un des matériaux les plus courants avec des utilisations dans de multiples industries à travers le monde et la version NewGen présente des caractéristiques améliorées spécifiquement pour l'impression avec la fusion laser sélective.

Les chercheurs ont testé différentes versions de la concoction d'acier inoxydable modifié avec plusieurs mélanges. En testant d'autres matériaux pour les propriétés mécaniques et la porosité, ils sont arrivés à la conclusion que les distorsions lors du frittage étaient réductibles grâce à un contrôle strict du nitrure de silicium et des bores qu'il contient. Ils ont publié ces résultats dans l'article académique "Amélioration de la stabilité dimensionnelle et des propriétés mécaniques des frittés AISI 316L + B par addition de Si3N4".

Comme les borures augmentent la densité de l'aggloméré, ils ne se fondent pas bien dans les matériaux à base de fer. En conséquence, des couches indésirables peuvent se former autour de la particule. Le nitrure de silicium atténue ce facteur et conduit à une meilleure finition de surface. Les chercheurs ont modifié la poudre métallique non seulement pour de meilleures propriétés mécaniques et d'utilisation finale, mais aussi pour que les matériaux SLM NewGen nécessitent moins de structures de support. Ce faisant, l'acier inoxydable modifié peut être encore plus léger que les impressions métalliques conventionnelles.

Actuellement, les chercheurs commercialisent toujours ce matériau particulier. Ils améliorent également cette ligne de recherche pour tester d'autres matériaux de ce type qui pourraient bénéficier de manière similaire. Leur travail a été notifié et ils travaillent avec un programme de bourses dérivées pour établir une véritable start-up.

Alliage d'aluminium haute résistance imprimé en 3D

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

Inventée par HRL Laboratories, cette souche particulière d'aluminium a été récemment commercialisée et enregistrée par l'Aluminum Association. L'aluminium à haute résistance fabriqué de manière additive a également marqué le tout premier enregistrement d'un tel alliage par l'Aluminum Association, recevant le numéro d'enregistrement 7A77.50 pour la poudre d'aluminium et le numéro 7A77.60L pour l'alliage imprimé lui-même.

Ce matériau était également spécial en ce qu'il marquait le nouveau système d'enregistrement des alliages additifs de l'association en février 2019. C'était le résultat direct de l'apparition de divers nouveaux matériaux en raison des capacités de fabrication additive. C'était le premier alliage de ce type à être imprimable.

Chimiquement, l'alliage a été développé en utilisant la technique de fonctionnalisation des nanoparticules de HRL. Ce matériau particulier utilise des nanoparticules à base de zirconium, cependant, le véritable avantage de ce mode de production de matériau est qu'il pourrait être appliqué à une grande variété d'autres métaux et alliages souvent réputés non imprimables. En conséquence, HRL étudie également les diverses autres façons d'introduire de nouveaux matériaux dans le monde de l'impression 3D.

Cristallographie, métamatériaux et structure plastique la plus rigide au monde

Crédit photo ETH Zurich/MIT

Les nouveaux arrangements de matériaux ne consistent pas toujours à découvrir un nouveau matériau ou à modifier la composition chimique d'un matériau pour le rendre imprimable, comme l'illustrent les exemples précédents. Parfois, une nouvelle façon d'utiliser des matériaux existants peut apporter quelque chose d'extraordinaire. Ce fut le cas avec diverses structures matérielles qui contenaient des matériaux structurés de telle manière qu'ils produisent des résultats passionnants.

Un projet combiné entre MIT et ETH Zurich en est un exemple. Les chercheurs ont créé un matériau avec le rapport rigidité/poids le plus élevé possible en réorganisant la construction des plastiques à l'échelle nanométrique. Cela a abouti à un matériau très rigide, tout en équilibrant cette rigidité avec un poids relativement faible. Essentiellement, ils avaient développé le matériau le plus rigide possible, étant assez proche des limites théoriques autorisées par la physique en modifiant simplement la manière dont sa microstructure est disposée.

Ce type de rapport rigidité/poids est crucial pour les implants médicaux à haute résistance, les avions et les voitures de course. Comme mentionné précédemment, l'idée principale n'est pas tant dans le matériau utilisé que dans la construction à petite échelle. Grâce à l'utilisation de motifs complexes de fermes, de ceintures et d'arches, les chercheurs ont maximisé la force et l'endurance.

De même, les chercheurs de l'Université de Sheffield et de l'Imperial College étudiaient l'utilisation de nouvelles microstructures dans les impressions pour améliorer la durabilité, dans l'espoir de créer de nouvelles façons d'imprimer des alliages. Leurs travaux sur l'utilisation de métamatériaux cristallographiques ont utilisé la modélisation atomique par ordinateur pour créer ces structures jamais vues auparavant. Ces structures cristallines, telles qu'elles les ont décrites, donnent des impressions qui sortent sans joints de grains, étant continues et ininterrompues. Cela donne à l'impression finale une meilleure tolérance aux dommages, résistance et ténacité.

De tels matériaux ont des arrangements périodiques de nœuds et d'entretoises, ce qui les rend légers tout en présentant une combinaison de propriétés qui ne se produisent pas dans les solides conventionnels. En utilisant les mécanismes de durcissement trouvés dans les matériaux cristallins pour développer des matériaux robustes et résistants aux dommages, ils ont créé des matériaux imprimables que la fabrication soustractive ne pouvait pas gérer.

Une idée similaire imprègne le domaine de l'impression 4D, où les microstructures sont si délicatement équilibrées qu'elles transforment des matériaux moyens en robots ou en éléments fonctionnels avec divers arrangements. L'impression 3D offre souvent ces capacités pour bricoler les moindres détails jusqu'à ce qu'ils servent un objectif précis et encourage la création de nouvelles formes dans le monde de la fabrication et de la recherche.