Les laboratoires HRL développent une nouvelle méthode de fracture d'impression 3D

Jul 03, 2023

Des chercheurs de HRL Laboratories, un centre de recherche appartenant à General Motors et Boeing, ont développé une nouvelle méthode d'impression 3D de pièces à l'aide de composites à matrice céramique (CMC) résistants aux fractures.

L'équipe HRL a développé une nouvelle résine précéramique à base de siloxane, l'a renforcée avec des particules inertes, puis a utilisé un processus de chauffage extrême appelé pyrolyse pour la convertir en oxycarbure de silicium (SiOC). Le matériau vitreux résultant présentait une durabilité accrue et, selon l'équipe de recherche, il pourrait être utilisé dans de nouveaux domaines sensibles à l'énergie tels que la propulsion, la production d'énergie et le traitement chimique.

"Le défi que nous avons relevé dans ce projet consistait à intégrer cette solution de durcissement à notre processus d'impression 3D", a déclaré Mark O'Masta, chercheur principal de HRL sur le projet. "Nous pouvons désormais ajouter ces renforts en fractions de grand volume pour durcir considérablement nos pièces en céramique imprimées en 3D."

"Nous avons essentiellement transformé un matériau monolithique cassant en un composite durable. Comme avantage supplémentaire, l'ajout de renforts a assoupli certaines des contraintes de traitement."

Développer les applications de la céramique imprimée en 3D

Les composants en céramique possèdent généralement une excellente résistance à la corrosion et à l'usure, et leurs propriétés uniques leur confèrent des applications potentielles dans les zones à haute température, mais leur mise en forme s'est avérée problématique. L'utilisation de céramiques fragiles pour fabriquer des pièces complexes aux géométries étroites peut également entraîner l'accumulation de pressions sur leurs fissures et vides internes, ce qui entraîne parfois des défaillances désastreuses.

"Toutes les pièces en céramique, qu'elles soient traitées de manière traditionnelle ou imprimées en 3D, présentent de petits défauts, tels que de minuscules vides, qui apparaissent lors du traitement, de la manipulation et de l'entretien", a expliqué O'Masta. "Le problème est que lorsqu'une contrainte est appliquée à cette région, le défaut peut devenir une fissure incontrôlée, ce qui entraîne une défaillance catastrophique de toute la pièce."

Les technologies d'impression 3D céramique en sont peut-être encore à leurs balbutiements, mais des techniques couramment utilisées commencent déjà à émerger pour contourner ce problème. Un mélange d'approches d'écriture directe à l'encre (DIW) et de modélisation par dépôt par fusion (FDM) a été tenté, mais plus communément, la photopolymérisation (SLA) est utilisée pour durcir la matière première infusée de polymère.

Dans chacun de ces procédés existants, la pièce « crue » imprimée est soumise à un traitement thermique en deux étapes qui élimine le polymère (déliantage), avant que les particules de céramique ne soient frittées. Aujourd'hui, des recherches récentes ont abouti à une approche alternative, qui consiste à imprimer en 3D en utilisant plutôt des résines à base de siloxane, avant de les transformer en SiOC par pyrolyse.

Cette technique de fabrication de céramique émergente élimine les longues étapes de déliantage et de frittage, ce qui en fait potentiellement une alternative plus rapide aux procédés d'impression céramique conventionnels. Pour que cette nouvelle approche basée sur la température fonctionne efficacement, un matériau céramique doit être développé qui répond à la faible ténacité intrinsèque du matériau et empêche la mauvaise fusion des particules.

La nouvelle approche de HRL Labs pour l'impression 3D de céramiques

Afin de contourner la fragilité inhérente de la céramique, l'équipe HRL a développé un nouveau procédé qui a nécessité le développement d'un CMC renforcé de fibres céramiques. Les chercheurs ont formulé leur nouvelle résine en utilisant un mélange de photo-initiateurs et d'un matériau d'oxycarbure de silicium (SiOC), qui contenait des particules céramiques inertes dispersées.

À l'aide d'une imprimante industrielle Prodways ProMaker L5000, les chercheurs ont ensuite fabriqué une série d'échantillons de 1,25 (t) × 2,5 (h) ×15 (l) mm3 dans le but d'évaluer et d'optimiser leur formule. Suite à de nombreux tests de caractérisation, l'équipe a identifié un niveau élevé de dispersion des particules, mais aussi un curieux comportement dans la résistance à la traction des pièces renforcées.

Il s'est avéré que les échantillons plus épais étaient plus sujets à la fissuration que leurs homologues plus minces, et grâce à cette découverte, l'équipe HRL a identifié un "sweet spot" dans le niveau de renforcement qu'ils pouvaient atteindre. L'ajout d'une trop grande quantité d'élément de renforcement dépasserait sa "limite de compactage" et affaiblirait la pièce, tout en n'en incluant pas assez, pourrait rendre la céramique vulnérable à la fracturation.

Ayant travaillé sur leur technique depuis 2016, l'équipe de recherche pense avoir finalement créé une céramique renforcée bien dispersée avec un retrait réduit après chauffage. Les produits imprimés à l'aide du matériau amélioré présentaient une épaisseur de paroi trois fois supérieure et une ténacité de plus de 3 MPa, ce qui a conduit l'équipe HRL à conclure que de nouvelles pièces en céramique plus complexes pourraient désormais être possibles.

"Grâce à une étude détaillée et à une inspection minutieuse des défauts à l'aide de la microscopie optique et électronique, nous avons pu identifier les bonnes conditions de traitement", a conclu Ekaterina "Katya" Stonkevitch, co-auteur de l'étude de HRL. "Avec ces informations, nous avons découvert que nous pouvions imprimer des pièces plus épaisses qu'auparavant."

Innovations céramiques dans l'impression 3D

Bien que la fabrication additive céramique soit encore entièrement optimisée pour les applications d'utilisation finale à contraintes élevées, un certain nombre d'entreprises ont déjà commercialisé la technologie.

Des scientifiques de l'Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques (IKTS) ont mis au point un système de projection multi-matériaux (MMJ) capable de produire des pièces en céramique renforcées. La nouvelle machine fusionne des matériaux tels que les métaux et la céramique afin d'exploiter leurs propriétés combinées.

Le fabricant d'imprimantes 3D basé aux Pays-Bas, Admatec, a lancé une nouvelle imprimante 3D DLP modulaire également compatible avec la céramique : l'Admaflex 300. Le système a été conçu pour répondre aux besoins de l'industrie du moulage de précision pour la production de pièces en alumine à grande échelle et de noyaux ou coques en silice.

Ailleurs, le spécialiste du jet de matière XJet s'est associé à Straumann pour faire progresser les capacités de sa technologie d'impression 3D céramique pour les applications dentaires. En adoptant les systèmes de fabrication additive de XJet, Straumann a pu concevoir et fabriquer des pièces dentaires avec des géométries complexes en utilisant le matériau généralement fragile.

Les découvertes des chercheurs sont détaillées dans leur article intitulé "Fabrication additive de composites à matrice céramique dérivés de polymères", rédigé par Mark R. O'Masta, Ekaterina Stonkevitch, Kayleigh A. Porter, Phuong P. Bui, Zak C. Eckel et Tobias A. Schaedler.

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L'image en vedette montre l'une des structures renforcées en composite céramique imprimées en 3D de l'équipe HRL. Image via les laboratoires HRL.

Paul est diplômé en histoire et en journalisme et se passionne pour la découverte des dernières nouveautés technologiques.