Les applications AM explosent avec l'impression multimatériaux

May 24, 2023

La fabrication additive (FA) crée une multitude d'opportunités dans tous les secteurs grâce aux améliorations continues des machines, des méthodes et des matériaux. Et, comme pour les conceptions multimatériaux construites via des processus de fabrication conventionnels, le domaine petit mais en croissance de l'impression 3D multimatériaux libère encore plus de puissance de la FA.

Les systèmes multimatériaux permettent des variations telles que les constructions à gradient fonctionnel, les composites, les nouveaux alliages et les nouvelles façons de fabriquer des composants électriques et électroniques. La méthode est utilisée pour fabriquer des dispositifs aussi divers que des implants articulaires, des préhenseurs robotisés en bout de bras et des cartes de circuits imprimés.

Il peut également faire ressortir le scientifique chez les praticiens. "Avec l'impression 3D multimatériaux, et si je déposais sélectivement un peu de matière A ici et un peu de matière B là ?" a déclaré Greg Paulsen, directeur de l'ingénierie des applications sur le marché de la fabrication numérique Xometry Inc., North Bethesda, Md.

"Vous pouvez créer ce que nous appelons des matériaux numériques, où vous dopez un matériau rigide avec un peu de matériau caoutchouteux pour rendre ce matériau plus doux et plus souple", a déclaré Paulsen. "Ou vous pouvez faire l'inverse, avoir un caoutchouc vraiment souple et le rendre un peu plus ferme en ajoutant un peu de matière rigide. Et tout d'un coup, en une seule impression ou tirage, vous pouvez créer un objet qui peut avoir soit un surmoulage simulé, soit des propriétés différentes construites dans la même impression."

Il y a cependant une mise en garde. En raison de sa nouveauté, la plupart des applications multimatériaux à ce jour ont été reléguées à la recherche et au milieu universitaire, a noté Paulsen, qualifiant la pratique de "domaine relativement nouveau".

Il n'est pas seul. Aconity3D GmbH, Herzogenrath, Allemagne, qui fabrique des imprimantes à fusion laser sur lit de poudre (LPBF) pour les métaux, a décrit ses clients multimatériaux comme des « adoptants précoces » qui sont pour la plupart dans le milieu universitaire. En fait, le transfert de technologie de l'idée à la réalité a été jusqu'à présent plus un filet qu'un torrent alors que l'impression multimatériaux s'impose comme un processus industriel.

L'impression et le post-traitement de deux matériaux différents en FA nécessitent une évaluation minutieuse de leurs propriétés. "Ce n'est certainement pas illimité", a déclaré Shawn Allan, vice-président de Lithoz America LLC, Troy, NY, qui fabrique des imprimantes 3D céramiques basées sur la lithographie.

Lorsqu'on lui a demandé si deux matériaux étaient compatibles tout au long du processus de frittage à haute température et du refroidissement ultérieur, Allan a réfléchi à la question. "Les choses auxquelles nous devons faire attention sont les suivantes : ces matériaux se lient-ils les uns aux autres ? Parce que certains matériaux, lorsque vous les allumez, ne veulent pas rester très bien connectés les uns aux autres", a-t-il déclaré. "L'un des facteurs les plus importants que nous devons examiner est les décalages de dilatation thermique."

Si le décalage entre les deux matériaux est aigu, une contrainte résiduelle interne peut s'accumuler dans la pièce lors de son traitement. Selon Allan, cela entraînera soit le délaminage des matériaux, soit leur "éclatement énergétique", c'est-à-dire l'explosion !

La dilatométrie mesure à la fois la dilatation thermique et la contraction lors du frittage. En conséquence, a déclaré Allan, les utilisateurs peuvent évaluer comment deux matériaux se comportent par eux-mêmes et identifier comment ils se chevauchent pour avoir "une idée de s'il s'agit potentiellement d'une bonne combinaison à assembler".

En plus de combiner deux céramiques, Lithoz bricole avec l'ajout de métaux à la céramique. "Ensuite, vous avez la possibilité de faire passer des chemins de conductivité à travers des matériaux, ce qui devrait normalement être fait en deux choses qui sont fabriquées séparément ou en sérigraphie", a déclaré Allan. "Mais nous pouvons imprimer des traces conductrices à travers un isolant. Cela ouvre la conception des composants électriques de cette façon."

Les applications pratiques pour imprimer du métal à l'intérieur d'une céramique pourraient inclure des réacteurs industriels pour les processus chimiques et des dispositifs de cautérisation pendant la chirurgie. Cependant, les céramiques nécessitent des températures beaucoup plus élevées lors de la cuisson que certains métaux peuvent supporter sans fondre.

"Si quelqu'un veut assembler une céramique avec de l'aluminium, cela ne fonctionnera pas... parce que l'aluminium fondra à 600°, peut-être 660°C, mais nous constatons que la température la plus basse de la céramique qui va cuire est d'environ 1 000° C", a déclaré Allan. "Et ce sont généralement des vitrocéramiques spéciales conçues pour bien fonctionner avec les métaux."

Pour les métaux tels que le cuivre, l'argent et l'or, Lithoz utilise des céramiques co-combustibles à basse température (LTCC). Semblables à la vitrocéramique, les LTCC sont conçues pour fritter à 800-1 000 ° C, ce qui est une température très basse pour la céramique et inférieure à la température de fusion du cuivre, de l'argent et de l'or.

"Si vous voulez utiliser de l'alumine et du cuivre, cela ne fonctionnera pas car l'alumine doit atteindre 1 600 ° C pour être frittée", a déclaré Allan. "Mais nous pourrions, disons, (imprimer) de l'alumine et du platine ensemble ou de l'alumine et du molybdène. Ils s'aiment vraiment, ils fonctionnent bien ensemble."

L'impression avec de la poudre métallique, comme c'est le cas avec les imprimantes d'Aconity3D, crée la possibilité de fabriquer des "quasi alliages", ce qui n'est pas possible avec des métaux formés en lingots.

"Vous pouvez prendre de la poudre A, disons du chrome, et de la poudre B, du cuivre", explique Yves Hagedorn, PDG d'Aconity3D. "Mélangés à 50/50, ces matériaux ne forment pas un alliage utilisé pour créer des lingots. Par conséquent, avec la coulée conventionnelle, vous n'aurez jamais entre les mains une pièce à moitié chrome et à moitié cuivre. "

Cependant, des possibilités s'ouvrent avec une combinaison mélangée à sec de 50 % de poudre de chrome et de cuivre. "Vous tirez dessus avec un laser, puis vous obtenez ce qu'on appelle un quasi-alliage", a déclaré Hagedorn. "Donc, pas un véritable alliage, mais vous obtenez les avantages et, assez décevant, les inconvénients des deux matériaux."

L'approche multimatériaux de Meltio, basée à Linares, en Espagne, se concentre sur l'utilisation de fils à souder de base composés de divers métaux (aciers inoxydables, titane, aciers au carbone et Inconel) pour exploiter leurs propriétés avantageuses.

"Cela pourrait être, par exemple, d'avoir un matériau plus résistant à l'usure dans les zones soumises à l'usure due au frottement ou à d'autres facteurs pendant le fonctionnement tout en ayant un matériau moins cher et peut-être plus ductile pour la partie principale", a déclaré Giorgio Olivieri, Responsable de l'ingénierie d'application de Meltio.

La technique peut également inclure un matériau résistant à la corrosion sur la surface, tandis qu'un matériau courant tel que l'acier inoxydable est utilisé à l'intérieur. La stratégie de Meltio maximise les avantages économiques en utilisant des matériaux coûteux (par exemple, l'Inconel), des superalliages et des alliages à base de nickel uniquement là où ils sont nécessaires. Dans le même temps, les matériaux difficiles à usiner sont déposés là où cela est nécessaire pour réduire le post-traitement.

"Il y a des cas où vous devez utiliser un matériau beaucoup plus précieux simplement à cause des conditions sur les surfaces externes, alors qu'il n'y a pas de propriétés mécaniques ou d'avantages donnés par ce matériau sur le noyau", a noté Olivieri. "Ainsi, pouvoir déposer le matériau là où il est nécessaire représente une énorme économie en termes de coût réel de la pièce."

Par exemple, si Meltio fabrique une roue pour une pompe, une couche externe d'Inconel lui donnerait une résistance à la corrosion sans avoir à fabriquer toute la pièce dans ce matériau coûteux. Ou, en alternative à l'inox et à l'Inconel, une pièce peut être réalisée en acier à outils avec l'ajout de Stellite, un alliage de cobalt résistant à la corrosion, dans les zones sujettes à l'usure.

Igus GmbH, un fabricant et distributeur de produits techniques en plastiques hautes performances basé à Cologne, voit le potentiel des roulements dits intelligents fabriqués avec l'impression 3D multimatériaux.

Les roulements ronds sont imprimés en deux couches. La peau extérieure est un plastique autolubrifiant mince (0,25-0,3 mm) fabriqué à partir d'un mélange de polymères tribologiquement optimisé. Sous le revêtement supérieur se trouve une couche de plastique électriquement conducteur, tandis qu'un contrôleur mesure en continu la résistance électrique de la pièce.

"Tout au long de la durée de vie du roulement, la résistance change", a déclaré Tom Krause, responsable du département d'impression 3D d'igus. "Dès que la surface (en plastique autolubrifiant) est usée, de l'électricité circule d'un circuit à travers l'arbre vers l'autre circuit. Et c'est une information pour nous que le roulement est cassé."

Plusieurs types d'interfaces utilisateur sont disponibles, la plus simple étant une lumière LED avec des lampes vertes et rouges. "C'est vraiment seulement activé ou désactivé", a souligné Krause. "Il n'y a que de l'électricité qui coule ou non. Il n'y a rien entre les deux."

Une autre option consiste à utiliser le contrôleur i.Sense d'igus, qui peut afficher une alerte sur le tableau de bord, déclencher un contrôleur pour éteindre la machine, ou les deux. Bien que les ingénieurs s'y intéressent, " Krause ne pense pas savoir par où commencer " parce que vous devez concevoir la pièce, et vous devez avoir une idée de l'endroit où l'utiliser. "

À l'inverse, dit-il, les ingénieurs d'igus savent exactement comment utiliser un roulement intelligent. L'entreprise fabrique des porte-câbles intelligents pour ses chaînes porte-câbles en utilisant le même concept appliqué à ses roulements : une couche autolubrifiante sur une couche conductrice de plastique. Au fur et à mesure que la couche autolubrifiante s'use, la conductivité électrique change.

La plus grande différence réside dans la forme de la pièce. Dans ce cas, il s'agit plus d'un bloc rectangulaire, plutôt qu'arrondi, avec quatre couches, selon Krause.

"Lorsque chaque couche est brûlée, nous obtenons des informations si elle est usée ou non."

Cela permet une maintenance prédictive. Lorsqu'un opérateur sait combien de temps il a fallu pour user la première couche, il peut calculer combien de temps il faudra pour que les deuxième, troisième et quatrième couches s'usent. Parce que les chaînes porte-câbles sont construites en sections, chaque partie peut être équipée d'un porte-câbles intelligent qui peut à la fois détecter et identifier l'emplacement d'un défaut.

"S'il y a une casse dans une seule zone, il est très facile pour nous de la réparer ou de remplacer ces composants individuels", a déclaré Mike Rielly, qui dirige l'unité commerciale AM ​​d'igus à Rumford, RI "Donc, s'il y a une casse due au stress ou quoi que ce soit, lorsque nous recevons cette notification, au lieu que tout le système tombe en panne, nous pouvons éviter les temps d'arrêt en réparant rapidement cette zone, cette section."

Les ingénieurs d'Igus tentent d'ajouter une capacité de détection de force à son roulement intelligent. Dans ce cas, le matériau intérieur n'est pas seulement conducteur, il est également élastique. "Et ce matériau conducteur élastique dévie davantage si vous avez des forces extérieures", a déclaré Krause. "Et grâce à cette déviation, nous pouvons mesurer à nouveau les différences de résistance, de sorte que nous pouvons également donner des informations avant que quelque chose ne se casse."

Une fois que le capteur atteint un certain seuil signalant qu'un problème survient, les opérateurs peuvent éteindre une machine avant qu'elle ne tombe en panne. "Mais c'est encore vraiment très expérimental", a déclaré Krause. "Nous n'avons pas encore d'applications client."

Aconity3D voit également un grand potentiel pour les capteurs, mais ses idées portent sur des détecteurs intégrés ou intégrés. « Fondamentalement, ce avec quoi vous jouez, c'est la différence de résistivité électrique », a déclaré Hagedorn.

Il a décrit une pièce en aluminium avec une ligne de cuivre imprimée à l'intérieur. La ligne de cuivre est connectée à deux câbles. "En fin de compte, il vous suffit de connecter les câbles et votre capteur serait déjà implémenté dans votre partie", a déclaré Hagedorn. "Sous une charge mécanique, la résistivité de la ligne de cuivre augmenterait. Et maintenant, si vous subissez une charge, vous pouvez la mesurer."

Au-delà des capteurs, il existe un potentiel pour l'impression 3D multimatériaux de l'électronique. Au moins une entreprise, Nano Dimension Ltd., Waltham, Mass., encourage la production industrielle d'électronique fabriquée de manière additive avec son imprimante DragonFly.

Une fois la compatibilité des matériaux définie, il existe un grand potentiel d'utilisation de la céramique avec l'impression multimatériaux, selon Allan. En particulier, Lithoz a travaillé avec des céramiques fonctionnellement graduées.

"Peut-être avons-nous deux boues différentes du même matériau, mais l'une contient un additif sacrificiel qui lui donnera une porosité plus élevée", a-t-il déclaré. "Cela vous permet d'adapter des choses comme les propriétés thermiques et même acoustiques du matériau d'un bout à l'autre. Une autre chose courante, encore une fois, pourrait être avec plus ou moins le même matériau, mais avec différents dopants ajoutés pour la couleur."

Les colorants peuvent contrôler l'opacité, ce qui peut être nécessaire dans les emballages électroniques. Pour les restaurations dentaires, telles que les facettes et les couronnes, les dégradés de couleurs peuvent donner un aspect naturel. Les couleurs peuvent également être incorporées pour la conception ou l'image de marque.

La porosité fonctionnellement graduée peut agir comme un gardien pour la conduction thermique. De même, il peut autoriser ou empêcher la circulation de gaz ou de fluides dans une pièce. "Nous pourrions vouloir une section imperméable et peut-être une autre section de la pièce qui agit comme un filtre ou une voie permettant au fluide ou au gaz de se déplacer d'un endroit à un autre", a déclaré Allan.

L'impression 3D multimatériaux pourrait également servir d'aide ou de substitut au brasage des composants céramiques ensemble ou à la création d'un joint étanche aux gaz. "Maintenant, il est peut-être possible de concevoir ce joint différemment, encore plus en trois dimensions, de sorte que nous puissions peut-être obtenir un meilleur emboîtement de la brasure dans le matériau, car généralement, ces éléments sont simplement superposés et cuits ensemble ou pressés ensemble en tant que composants séparés", dit Allan. "Mais peut-être pouvons-nous intégrer un peu mieux la brasure dans la céramique."

Cesar Terrazas-Najera, président d'AconityUS Inc., El Paso, Texas, voit un potentiel pour les mesures de sécurité industrielle avec l'impression 3D multimatériaux. "L'une des idées est donc d'encapsuler les codes QR dans la pièce elle-même, afin qu'elle ne puisse pas être contrefaite", a-t-il déclaré. "C'est très puissant pour l'industrie, car je peux désormais garantir que personne ne contrefaira une pièce expédiée à un client. Le client peut la scanner et s'assurer qu'il s'agit bien de la pièce qui était destinée."

Terrazas-Najera a expliqué que le code QR peut être imprimé dans un métal qui contraste avec le matériau d'une pièce tel qu'imagé sur un scanner. Il est encore plus possible d'imprimer d'autres informations, telles que des instructions pour fabriquer la pièce ou des détails pour tracer la pièce, a-t-il déclaré.

Meltio considère l'impression 3D multimatériaux comme une alternative au laser ou au rechargement soudé. "Lorsque nous parlons de revêtement, c'est généralement sur les surfaces externes de pièces relativement simples", a déclaré Olivieri. "En construisant une pièce couche par couche avec des matériaux bi-matière, notre système peut déposer le matériau de "revêtement" dans des zones qui ne pourraient jamais être atteintes par un revêtement (traditionnel)."

L'impression 3D multimatériaux n'inspire pas seulement de nouvelles idées, elle nécessite également une façon de penser différente pour les concepteurs et les ingénieurs, selon Paulsen. La façon traditionnelle de penser est d'ajouter des fonctionnalités à une pièce qui a les mêmes propriétés partout, mais ce n'est plus nécessairement le cas.

"Il le retourne sur sa tête", a déclaré Paulsen. "Et je pense que c'est quelque chose qui nécessitera à la fois une façon de penser différente, mais aussi un logiciel intuitif. Nous pouvons avoir des concepteurs et des ingénieurs CAO (conception assistée par ordinateur) qui s'y intéressent, mais qui n'ont peut-être pas la capacité de vraiment ou facilement créer un fichier qui peut fortement en bénéficier."

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