Matériaux par recette : Kit poudre pour plus de flexibilité et de diversité de matériaux en impression 3D

25 juillet 2022

par Martina Ohle, Société Fraunhofer

La fusion par faisceau laser de poudre (LPPF) est probablement le procédé de fabrication additive le plus connu et présente un grand potentiel pour les applications industrielles. Mais comment contourner la gamme limitée de matériaux utilisés pour ce procédé et élargir davantage le potentiel du marché ? Cette question a été abordée par l'IWM de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle et le Fraunhofer IFAM dans le cadre du projet « LPBF Powder Kit » financé par l'AiF. Le résultat a été le développement d'une solution durable pour le traitement individuel et robuste des mélanges de poudres métalliques, afin que l'utilisateur puisse couvrir les propriétés souhaitées des matériaux avec une petite sélection de poudres métalliques et ajuster les alliages de manière flexible.

L'impression 3D permet une liberté de conception maximale dans la construction et la production de composants. Ces avantages ont permis aux technologies d’impression 3D de s’imposer dans des domaines techniques tels que l’automobile et l’aérospatiale. Cependant, les différents domaines d'application nécessitent non seulement une géométrie conçue de la meilleure manière possible, mais également des propriétés de matériaux optimisées. Cela nécessite un matériel adapté. Cependant, la recherche sur les matériaux pour la fabrication additive en est encore à ses balbutiements. Jusqu’à présent, les matériaux qualifiés par les équipementiers pour leurs procédés ont été en grande partie transformés afin d’établir les différents procédés de fabrication additive de l’industrie. Cette gamme de matériaux est plutôt restreinte et ne peut être comparée en termes de diversité aux matériaux conventionnels, qui sont principalement produits par métallurgie de fusion. Dans les processus de fabrication soustractifs conventionnels, il existe des centaines d’aciers, d’alliages d’aluminium, d’alliages cobalt-chrome résistants à l’usure et bien plus encore pour chaque application spécifique. En impression 3D, le choix parmi tous les matériaux métalliques est limité à moins de 30 matériaux, de sorte que toutes les exigences ne peuvent pas être couvertes.

La gamme de matériaux peut être spécifiquement élargie grâce au « kit de poudre LPBF », composé par exemple de poudres à base de fer avec et sans carbone, chrome, nickel, molybdène et carbure de titane. Les propriétés des matériaux fréquemment requises incluent, par exemple, la résistance à la corrosion, la résistance, la dureté et la conductivité thermique. De nombreux alliages d'acier sont constitués des mêmes éléments tels que le carbone, le chrome et le nickel, mais diffèrent par leurs proportions respectives. Le processus développé comprend la sélection de la composition de l'alliage en fonction du profil d'exigence spécifique du matériau, la détermination de la composition de la poudre à l'aide de méthodes de simulation thermodynamique et la préparation de la poudre à l'aide de processus de mélange et d'homogénéisation adaptés. Les paramètres optimaux du processus sont ensuite déterminés et le matériau est qualifié par caractérisation microstructurale et test des propriétés mécaniques. Une fois la poudre mélangée, l’alliage est créé par le processus ultérieur de fusion par faisceau laser. L'énergie du laser fait fondre les particules de poudre métallique et crée l'alliage souhaité. À la fin du processus se trouve le composant fini avec des propriétés matérielles personnalisées.

La première application concrète du projet a été la production d'aciers inoxydables personnalisés résistant à la corrosion pour des profils de propriétés spécifiquement ajustés par alliage dans le « kit de poudre LPBF ». Au cours des travaux de développement, les facteurs d'influence favorisant une bonne formation d'alliage résistant à la corrosion ont été identifiés et la qualité de l'alliage a été testée en fonction de l'application. En conséquence, il a été démontré que les aciers à outils et duplex résistants à la corrosion alliés dans le procédé LPBF sont plus résistants que la poudre de base correspondante et qu'ils ont atteint leurs propriétés souhaitées. Un autre avantage est offert par la possibilité d'ajuster la microstructure au moyen de paramètres laser adaptés. Un exemple en est les différentes tailles de carbures dans la structure des aciers à outils. Selon l'application, différentes tailles sont requises. Grâce au kit de construction en poudre développé, ceux-ci peuvent être variés et transformés efficacement en composants homogènes. Les résultats de ce sous-projet peuvent être mis à disposition sur demande.