Précisément magnétisé: la limaille de fer adhère à ce mini échiquier d'une longueur de bord de quatre millimètres.  La structure partiellement magnétique a été produite à partir d'un seul type de puissance d'acier à différentes températures.

Création de nouveaux alliages avec l’impression laser 3D

Impression laser 3D en métal Création de nouveaux alliages avec l’impression laser 3D

| Auteur / éditeur: Dr Christian Leinenbach / Nicole Kareta

Lors du traitement du métal dans l’imprimante laser 3D, plus de 2500 ° C sont atteints en quelques millisecondes, provoquant l’évaporation de certains composants des alliages. Les chercheurs de l’Empa utilisent maintenant cet effet pour créer de nouveaux alliages aux propriétés nouvelles et les incorporer dans des pièces métalliques imprimées en 3D avec une précision micrométrique.

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Précisément magnétisé: la limaille de fer adhère à ce mini échiquier d’une longueur de bord de quatre millimètres. La structure partiellement magnétique a été produite à partir d’un seul type de puissance d’acier à différentes températures.

(Source: Empa)

Cela semble assez discret pour le spectateur occasionnel, à peine comme une innovation révolutionnaire: un petit échiquier métallique, de quatre millimètres de long de chaque côté. Au premier coup d’œil, il brille comme de l’acier poli; au deuxième coup d’œil, de minuscules différences de couleur sont visibles: le minuscule échiquier a 16 carrés, huit semblent légèrement plus foncés, les huit autres un peu plus clairs.

L’échantillon de matériau sans prétention montre que l’impression 3D à l’aide de faisceaux laser et de poudre métallique convient non seulement à la création de nouvelles formes géométriques, mais aussi à la production nouveaux matériaux avec des fonctionnalités entièrement nouvelles. Le petit échiquier est un exemple particulièrement évident: huit carrés sont magnétiques, huit non magnétiques – la pièce entière a été imprimée en 3D à partir d’une seule qualité de poudre métallique. Seules la puissance et la durée du faisceau laser variaient.

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Comme point de départ, une équipe de l’Empa a utilisé un type spécial d’acier inoxydable, qui a été développé il y a environ 20 ans par la société allemande Hempel Special Metals, entre autres. L’acier dit P2000 ne contient pas de nickel, mais environ 1% d’azote. L’acier P2000 ne provoque pas d’allergies et convient parfaitement aux applications médicales. Il est particulièrement dur, ce qui rend le fraisage conventionnel plus difficile. Malheureusement, à première vue, il semble également inapproprié comme matériau de base pour l’impression laser 3D: dans la zone de fusion du faisceau laser, la température culmine rapidement. C’est pourquoi une grande partie de l’azote contenu dans le métal s’évapore normalement et l’acier P2000 modifie ses propriétés.

Transformer un problème en avantage

Avec mes collègues, nous avons réussi à transformer cet inconvénient en avantage. Nous avons modifié la vitesse de balayage du laser et l’intensité du faisceau laser, qui fait fondre les particules dans le lit de poudre métallique, et ainsi fait varier la taille et la durée de vie du bain de fusion liquide d’une manière spéci fi ée. Dans le plus petit des cas, la piscine faisait 200 microns de diamètre et 50 microns de profondeur, dans le plus grand cas 350 microns de largeur et 200 microns de profondeur. Le pool de fusion plus grand permet à beaucoup plus d’azote de s’évaporer de l’alliage; l’acier solidifiant cristallise avec une forte proportion de ferrite magnétisable. Dans le cas du plus petit bain de fusion, l’acier fondu se solidifie beaucoup plus rapidement. L’azote reste dans l’alliage; l’acier cristallise principalement sous forme d’austénite non magnétique.

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Au cours de l’expérience, nous avons dû déterminer très précisément la teneur en azote dans de minuscules échantillons de métal de taille millimétrique et mesurer l’aimantation locale à quelques micromètres près, ainsi que le rapport volumique de l’acier austénitique et ferritique. Un certain nombre de méthodes analytiques hautement développées disponibles à l’Empa ont été utilisées à cette fin.

Photographie de la poudre d'acier P2000 au microscope électronique.  En raison de la forme sphérique spéciale, la poudre s'écoule particulièrement bien.
Photographie de la poudre d’acier P2000 au microscope électronique. En raison de la forme sphérique spéciale, la poudre s’écoule particulièrement bien.

(Source: Empa)

L’alliage à mémoire de forme devient intelligent

L’expérience, qui semble être un simple gadget, pourrait bientôt ajouter un outil crucial à la méthodologie de production et de traitement des métaux. En impression laser 3D, nous pouvons facilement atteindre des températures de plus de 2500 ° C localement. Cela nous permet de vaporiser divers composants d’un alliage de manière ciblée – par exemple le manganèse, l’aluminium, le zinc, le carbone et bien d’autres – et ainsi modifier localement la composition chimique de l’alliage. » Le procédé n’est pas limité aux aciers inoxydables, mais peut également être utile pour de nombreux autres alliages.

Leinenbach pense par exemple à certains alliages de nickel-titane appelés alliages à mémoire de forme. À quelle température l’alliage «se souvient» de sa forme programmée dépend de seulement 0,1% de plus ou moins de nickel dans le mélange. À l’aide d’une imprimante laser 3D, des composants structurels pourraient être fabriqués qui réagissent localement et de manière échelonnée à différentes températures.

Belles structures pour le moteur électrique du futur

La capacité de produire différentes compositions d’alliages avec une précision micrométrique dans un seul composant pourrait également être utile dans la conception de moteurs électriques plus ef fi caces. Pour la première fois, il est désormais possible de réaliser le stator et le rotor du moteur électrique en matériaux magnétiquement finement structurés et ainsi mieux exploiter la géométrie des champs magnétiques.

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