Des assemblages innovants de plusieurs métaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l’impression 3D
La fabrication additive (FA) métallique, plus connue sous le nom d’impression 3D, se heurte depuis longtemps à un problème récurrent. Elle repose généralement sur un seul matériau, utilisé du début à la fin du processus. Si les matériaux homogènes conviennent à la fabrication de pièces simples, ils ne répondent pas toujours aux exigences complexes qui consistent, par exemple, à combiner une résistance extrême à la chaleur, de la flexibilité et de la solidité au sein d’un même composant. De nombreux alliages hautes performances ont tendance à se fissurer pendant l’impression sous l’effet des contraintes thermiques générées par le procédé. Le problème s’aggrave lorsque la FA consiste à associer deux matériaux ou plus dans une même pièce. Le développement de pièces multimatériaux par FA a donc longtemps reposé sur une coûteuse méthode d’essais et d’erreurs. Il n’existait ni outils de conception adaptés, ni normes de qualification, ni solution pour recycler les poudres métalliques mélangées. Ce besoin était particulièrement marqué dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique et de l’énergie, où les exigences de légèreté, de performances et d’efficacité progressent plus vite que les capacités de la FA monomatériau.
Faire progresser la FA multimatériaux
Financé par l’UE, le projet MADE-3D(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) s’est attaqué à ce problème en développant des procédés de fabrication efficaces, durables et flexibles, capables de répondre à la demande croissante de composants complexes aux propriétés spécifiques. L’équipe du projet a conçu plusieurs assemblages multimatériaux inédits, puis les a testés et validés dans des conditions industrielles réelles. Au lieu de procéder par essais et erreurs, les chercheurs s’appuient sur des modèles numériques avancés et l’apprentissage automatique pour concevoir ces assemblages. Une première mondiale: MADE-3D a réussi à imprimer en 3D des assemblages en nickel-titane destinés à des tuyères de fusée. Cette solution légère résiste à des températures extrêmes sans compromettre la solidité structurelle. Les chercheurs sont parvenus à assembler sans défaut l’Inconel 718 et le Ti6Al4V, deux métaux high-tech utilisés dans l’aérospatiale. Cette combinaison de matériaux a été testée et validée sur des composants de taille réelle, dans des conditions d’utilisation représentatives. «Cette association de matériaux est hautement sujette à la fissuration en FA, le résultat constitue donc une avancée scientifique inédite», souligne Dennis Lehnert, coordinateur du projet et chercheur associé à l’université de Paderborn, en Allemagne. «Nous avons pu réduire le poids d’environ 40 % par rapport à une tuyère fabriquée dans un seul matériau, il s’agit d’une avancée de taille.» Le poids fait toute la différence. En aérospatiale et en aéronautique, il détermine la quantité de carburant consommée et le volume des émissions produites. Dans l’aviation, alléger les composants des moteurs et des systèmes de propulsion réduit la consommation de carburant à chaque vol. Sur plusieurs décennies d’exploitation d’un avion, les économies de CO2 deviennent considérables.
Contribuer aux objectifs européens de durabilité et de résilience
Ces innovations technologiques améliorent les performances, la fiabilité et la durabilité de la FA, ce qui renforce son intérêt pour l’industrie. Des composants plus légers, plus résistants et plus performants renforcent la compétitivité européenne, tout en réduisant le gaspillage de matériaux et l’impact environnemental de la fabrication. «MADE-3D démontre que la FA multimatériaux peut contribuer directement à la décarbonation du transport aérien et spatial», ajoute Dennis Lehnert. Le projet contribue ainsi aux objectifs du pacte vert pour l’Europe et de l’économie circulaire(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), en mettant l’accent sur le recyclage et la durabilité. Il établit également de nouvelles références en matière de fabrication numérique et contribue à positionner l’UE comme un chef de file mondial de la FA. «MADE-3D a fait passer l’impression 3D métallique multimatériaux d’une démarche expérimentale fondée sur les essais et erreurs à une discipline d’ingénierie prédictive», conclut Dennis Lehnert. «Le projet a créé un cadre complet qui guide le développement de nouveaux matériaux et composants, depuis la conception numérique des alliages et l’optimisation des procédés jusqu’aux règles de conception, à la qualification et au recyclage. Les futures applications multimatériaux pourront ainsi être développées plus rapidement, de manière plus fiable et en limitant les essais expérimentaux.»
