Céramique imprimée en 3D

Jan 14, 2024

Alors que les technologies de fabrication additive sont de plus en plus adoptées pour une gamme d'applications dans de nombreux secteurs, l'accent est mis en grande partie sur l'impression 3D de matériaux métalliques ou polymères. L'impression 3D céramique, cependant, mûrit et atteint un point d'inflexion alors que les ingénieurs se tournent de plus en plus vers les propriétés de performance supérieures des matériaux céramiques techniques.

Les procédés traditionnels de moulage de la céramique nécessitent un outillage coûteux avec de longs délais. Le processus est également inefficace car le démoulage devient de plus en plus compliqué par les formes complexes des composants modernes. La liberté de conception de la fabrication additive crée de nouvelles formes optimisées dans ces matériaux traditionnellement difficiles à traiter qui sont optimisés pour le poids ou façonnés à des fins de performance spéciales telles que la déviation ou l'absorption d'énergie.

Alors que l'impression 3D permet aux concepteurs de pousser la complexité dans la géométrie des pièces, de nouvelles possibilités de matériaux conduisent à de véritables percées dans les applications.

Utilisée dans la construction depuis des siècles, la céramique est devenue un matériau de fabrication de pointe. Le sable de silice, par exemple, est une céramique utilisée dans la coulée des métaux. Les fonderies construisent régulièrement des outils à partir de ce matériau et ont adopté l'impression 3D au sable au cours des dernières décennies pour produire en masse des conceptions de plus en plus complexes avec des délais d'exécution plus rapides, le tout sans s'écarter de leur flux de travail de coulée pour produire des pièces métalliques d'utilisation finale.

Aujourd'hui, une gamme de matériaux céramiques techniques avec des oxydes, des carbures ou des nitrures liés à eux sont utilisés pour des applications avec des exigences environnementales et de performances supérieures à celles qui peuvent être satisfaites par d'autres matériaux. Les céramiques techniques telles que le carbure de silicium (SiC), l'alumine et la zircone sont convoitées pour une utilisation dans les applications les plus extrêmes et dans les environnements les plus difficiles pour des propriétés telles que la biocompatibilité, la dureté élevée, la stabilité à ultra-haute température ou la résistance aux réactions chimiques.

Le jet de liant présente des avantages inhérents à la mise en forme de ces céramiques en géométries complexes à haute résolution impossibles à construire avec les technologies traditionnelles. La vitesse d'impression, la taille d'impression et la flexibilité des matériaux permettent de traiter la plus large gamme de matériaux aux vitesses les plus rapides. Il s'agit d'une technologie très recherchée et largement identifiée comme le meilleur procédé de fabrication de SiC, même parmi d'autres technologies additives, car la poudre noire ne durcit pas aux UV et le point de fusion élevé élimine les procédés à base de laser. La production de pièces de forme presque nette réduit également les étapes d'usinage et de polissage difficiles et coûteuses après le traitement. Les pièces vertes poreuses peuvent être frittées, imprégnées ou infiltrées pour obtenir des propriétés de matériau polyvalentes spécifiques à l'application.

Le nouveau paradigme de conception de la fabrication additive, associé aux matériaux céramiques techniques les plus avancés, place le jet de liant à la pointe du développement d'applications.

Les collimateurs sont des composants utilisés en imagerie neutronique permettant aux chercheurs de cartographier les propriétés d'un matériau en absorbant les neutrons parasites. Ils améliorent la résolution et réduisent les signaux de fond dans les expériences pour capturer des données jusqu'au niveau atomique.

Le carbure de bore (B4C) est une céramique technique aux propriétés solides mais légères, ainsi que des caractéristiques d'absorption d'énergie particulièrement utiles dans les instruments de diffusion de neutrons. Les limitations de fabrication du passé produisaient des collimateurs à partir de lames revêtues d'un matériau hautement absorbant, tel que le carbure de bore enrichi (10B4C), dans des agencements qui collimataient par nature dans une seule dimension. Les formes restreintes de ces modèles traditionnels limitaient le type de recherche qui pouvait être fait avec eux.

Les chercheurs de JJ X-Ray, un fabricant danois de solutions pour les expériences de rayons X, de rayonnement synchrotron et de diffusion de neutrons, ont utilisé la liberté de conception de l'impression 3D pour développer des composants plus complexes pour la collimation 2D. Les systèmes de projection de liant Desktop Metal X-Series ont imprimé des cubes en 3D à partir de poudre 10B4C. Les prototypes de collimateurs de 20 mm3 comportent des canaux à parois droites de 5 × 5 mm qui ne pourraient être produits avec aucune autre technologie.

L'équipe JJ X-Ray s'attend à ce que les conceptions avancées réalisables avec des collimateurs imprimés en 3D ouvrent de nouvelles opportunités de recherche à mesure que le paradigme des expériences futures change. L'équipe continue de repousser les limites de conception avec des structures incurvées, des pièces à parois minces et des canaux coniques et étroits.

Les sources d'énergie renouvelables telles que le solaire et l'éolien continueront de croître, mais la sagesse conventionnelle dans les cercles énergétiques identifie l'énergie nucléaire comme l'une des sources d'énergie de base les plus fiables, portables et vertes pour soutenir un réseau énergétique moderne complet. La perception négative des accidents très médiatisés tels que Three Mile Island et Fukushima met en évidence une technologie nucléaire obsolète lorsque les matériaux avancés et leurs méthodes de fabrication n'étaient pas disponibles.

Des organisations comme Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) utilisent la fabrication de pointe pour faire de l'énergie nucléaire sûre, contrôlée et fiable une réalité. L'impression 3D par jet de liant joue un rôle fondamental dans la conception innovante du carburant de l'USNC. Cette conception permet à l'entreprise de contrôler la fission nucléaire et de prévenir complètement les accidents.

L'USNC combine des conceptions de systèmes de microréacteurs modulaires (MMR) sûrs avec un système de carburant avancé. La clé de son approche est le carburant micro-encapsulé entièrement en céramique (FCM) fabriqué avec la technologie de projection de liant Desktop Metal qui peut imprimer en 3D du carbure de silicium (SiC).

SiC est un matériau céramique technique avec une stabilité environnementale extrême. Les conditions dans un réacteur nucléaire sont parmi les plus difficiles de toute l'industrie, mais le SiC ne rétrécit pas et ne gonfle pas excessivement comme une matrice graphitique traditionnelle. Il est également résistant à l'oxydation et à la corrosion, offrant une stabilité dans les conditions exigeantes d'un cœur de réacteur nucléaire.

Cependant, le SiC est lourd à fabriquer en pièces complexes. Pendant des décennies, malgré le désir de l'industrie de travailler avec ce matériau, il n'existait aucun processus de fabrication viable pour transformer le SiC cristallin de qualité nucléaire hautement pur en les formes nécessaires aux applications nucléaires. Aujourd'hui, les machines Desktop Metal X-Series impriment en 3D de la poudre de SiC dans des géométries uniques qui peuvent entourer en toute sécurité le combustible nucléaire moderne.

La technologie à jet de liant projette un liant dans un lit de particules de poudre telles que du métal, du sable ou de la céramique pour créer une pièce solide, une fine couche à la fois. Il est important de noter que pour l'impression 3D SiC, l'ensemble du processus est effectué à basse température.

"Il existait une multitude de méthodes de fabrication additive, mais une grande partie d'entre elles reposent sur un processus à haute température pendant le dépôt", a déclaré le Dr Kurt A. Terrani, vice-président exécutif de la division principale de l'USNC. Le leader technologique de renommée internationale a expliqué : « Avec les métaux, ils font fondre les particules pour les connecter ensemble, mais vous ne pouvez pas faire cela avec le point de fusion élevé du carbure de silicium. La technologie du jet de liant est unique car elle repose vraiment sur les caractéristiques physiques de la poudre, et elle est essentiellement indépendante de la structure chimique et de phase du matériau.

En associant le jet de liant à l'infiltration chimique en phase vapeur pour remplir la structure poreuse de SiC avec du carbure de silicium cristallin plus pur, l'USNC crée des formes complexes et quasi nettes sans qu'il soit nécessaire de fritter, d'appliquer une pression ou d'introduire des phases secondaires. Par rapport à la manière traditionnelle de traiter les céramiques techniques, y compris les mélangeurs pour créer des boues, les mouleurs à injection et les fours, Terrani a déclaré que l'impression 3D par jet de liant est une solution élégante et un "processus rentable et fiable".

La possibilité de créer des conceptions uniques en masse avec l'impression 3D permet également à l'USNC d'ajouter une couche supplémentaire d'assurance qualité à sa mission d'énergie nucléaire sûre et responsable. "Nous imprimons une identification sur ces pièces, donc dès le moment de la naissance, nous suivons l'ADN de fabrication des réacteurs tout au long de la production, de la durée de vie opérationnelle et de leur décharge", a déclaré Terrani. "Le jet de liant nous permet de créer un nouveau paradigme d'énergie nucléaire sûre, fiable et sans carbone à l'usage de l'industrie et des communautés éloignées."

Cette approche tirant parti des percées de fabrication avancées crée une conception pour un réacteur à sécurité passive qui transforme une technologie vieille de plusieurs décennies pour fournir des réacteurs nucléaires plus sûrs et plus efficaces au 21e siècle.

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