En général, les matériaux sont si complexes qu’ils entraînent souvent des cycles de production plus longs lorsque le matériau approprié n’a pas été exploité ou utilisé correctement.
Dans la fabrication additive, cette complexité est encore plus prononcée car non seulement la technologie n’a pas de ligne directrice unique, mais le processus de fabrication exige parfois la combinaison de plusieurs matériaux ou simplement une plus grande précision pour obtenir les structures complexes d’une pièce.
La science et l’ingénierie des matériaux est donc un monde entier que les opérateurs de la FA doivent comprendre.
Pour discuter un peu de ce monde et de son importance pour les spécialistes de la FA, nous avons invité Malvern Panalytical à participer à cette série d’« Opinion de la Semaine. »
En tant que fournisseur d’instruments scientifiques pour l’analyse chimique, physique et structurelle des matériaux, Malvern Panalytical permet aux scientifiques et aux ingénieurs de mieux comprendre les matériaux, les produits ou les processus.
Le Dr John Duffy, responsable marketing du secteur, a répondu à nos questions dans le cadre de cette Opinion de la semaine. Duffy est titulaire d’un diplôme de chimie et d’un doctorat en génie chimique de l’université de Nottingham et a commencé comme spécialiste en rhéologie chez Malvern, anciennement connu sous le nom de Malvern Instruments. À ce jour, cela fait 11 ans qu’il a rejoint la structure et, au fil du temps, il a vu la FA devenir un domaine de croissance important pour l’organisation.
Ces paramètres qui ne semblent pas importants, mais qui sont cruciaux pour la FA
Au-delà de ses instruments, Malvern Panalytical est reconnue pour le savoir-faire technique qu’elle fournit. Leurs instruments sont utilisés dans diverses industries et applications. Bien que les exigences soient généralement les mêmes, il est possible d’observer certaines exigences spécifiques dans certains secteurs.
Pour parler simplement, la société permet aux ingénieurs d’apprendre et de maîtriser les techniques de mesure de la taille et de la forme des particules, de la composition élémentaire, des structures cristallographiques et des propriétés telles que le poids moléculaire et le potentiel zêta.
En ce qui concerne la FA, leurs services dépendent de plusieurs facteurs dont le type de processus de fabrication ou le type de matériaux mis en œuvre.
« Par exemple, les exigences de caractérisation pour le jet de matière ou l’extrusion de matière seront différentes de celles des procédés à lit de poudre, tandis que les exigences de caractérisation pour les métaux peuvent être différentes de celles des polymères. Nous avons des solutions pour les polymères et les métaux, ainsi que pour les liquides, les solides et les poudres, ce qui nous permet de relever plusieurs défis différents dans l’industrie de la fabrication additive », explique M. Duffy.
Légende : Système de diffraction laser Mastersizer 3000, utilisé pour mesurer la taille des particules – Images via Malvern Panalytical
Prenant l’exemple du système de diffraction laser Mastersizer 3000, le spécialiste explique que cet appareil sert à mesurer la distribution de la taille des particules alors qu’un appareil comme l’analyseur d’images Morphologi 4 sert à mesurer la forme des particules.
« La taille et la forme des particules sont des paramètres importants pour tous les processus de lit de poudre. Que le matériau soit une poudre de céramique, de polymère ou de métal, ces paramètres influencent grandement le tassement et la fluidité de la poudre. Les poudres qui se tassent bien et de manière constante pour donner une haute densité sont associées à la production de composants avec moins de défauts et une qualité constante, tandis que la capacité à répartir la poudre de manière uniforme et à former une couche uniforme sans vides d’air est d’une importance capitale », complète le porte-parole.
Légende : Morphologi 4 – utilisé pour mesurer la forme des particules
Une question de chimie
Après la taille et la forme des particules, il y a la chimie.
Imaginez que vous exploitez une poudre dont la composition de l’alliage ne correspond pas au matériau idéal pour votre production, vous risquez d’obtenir une pièce finie qui n’intègre pas les propriétés souhaitées.
Pour éviter cette situation, le spécialiste des matériaux doit tirer parti d’une solution capable de déterminer avec précision la majorité des éléments d’alliage dans un échantillon. Une fois ce type d’analyse effectué, les mesures peuvent facilement être effectuées.
En outre, il arrive que le chauffage et le refroidissement rapides de l’environnement de construction entraînent des contraintes résiduelles qui peuvent également affecter les propriétés mécaniques. Pour éviter cette situation, le spécialiste des matériaux ou l’ingénieur doit déterminer la structure cristallographique à la fois des poudres métalliques et des pièces fabriquées.
Chacune de ces situations nécessite l’utilisation d’instruments spécifiques que Malvern Panalytical peut fournir. Il s’agit par exemple des solutions de fluorescence X (XRF) ainsi que des instruments de diffraction des rayons X (XRD).
« La contrainte résiduelle et les gradients de contrainte peuvent être mesurés par XRD, ainsi que la texture – la distribution non aléatoire des plans cristallographiques dans un matériau, qui peut affecter les propriétés de manière directionnelle. Les rayons X peuvent également être utilisés pour mesurer la microstructure des polymères semi-cristallins, mais l’outil le plus courant que nous fournissons pour examiner la structure des polymères est la chromatographie par perméation de gel (GPC) avec détection avancée. Cette technique peut être utilisée pour déterminer la taille, le poids et la structure d’un large éventail de macromolécules, utilisées dans des processus tels que la photopolymérisation en cuve, le frittage sélectif au laser (SLS), le jet de liant, le jet de matériau et l’extrusion de matériau », explique John Duffy, de Malvern Panalytical.
La taille, la forme et la chimie des particules sont en fin de compte quelques exemples qui soulignent l’importance de sonder et de mesurer la structure et les propriétés d’un matériau avant sa fabrication. D’où le terme caractérisation des matériaux.
Impact et défis dans la FA
Dans la fabrication additive en particulier, il convient de noter que « la plus grande source de variabilité provient des matériaux, ce qui signifie que des propriétés matérielles incohérentes donneront des propriétés de composants finis incohérentes ».
Selon le responsable marketing du secteur, « cela devient encore plus critique pour les procédés de lit de poudre, car il y a davantage de variables matérielles et d’interactions de procédés qui peuvent affecter le composant final, comme la taille et la forme des particules, la porosité, la chimie, les propriétés thermiques et la présence d’impuretés.
La caractérisation n’est pas seulement importante pour valider la chaîne d’approvisionnement, mais joue également un rôle vital dans le développement de nouveaux matériaux, comme la mise au point de nouveaux alliages, polymères ou composites. Si la fabrication additive doit réaliser son plein potentiel, nous aurons besoin à l’avenir d’une plus grande bibliothèque de matériaux parmi lesquels choisir, ce qui signifie qu’il faudra mettre beaucoup plus l’accent sur la recherche et le développement. Nombre de nos instruments sont également vendus à cette fin, car il est nécessaire de tester et de valider les matériaux de manière itérative tout au long du processus de développement ».
En termes d’outils, les ingénieurs peuvent utiliser les mêmes dispositifs pour étudier les structures des matériaux. Toutefois, la principale différence au niveau technique est la chimie. En effet, alors que les poudres métalliques sont cristallines et comprennent un arrangement ordonné d’atomes, les polymères, de l’autre côté, sont des macromolécules à longue chaîne qui sont de nature amorphe ou semi-cristalline.
« Le type de processus influencera également le type de technique de caractérisation. Pour les procédés à lit de poudre, la taille et la forme des particules sont considérées comme importantes, indépendamment du fait que la poudre soit un polymère, une céramique ou un métal. Pour les procédés tels que le jet de matière ou l’extrusion, il faut alors évaluer la viscosité et la rhéologie de la matière, qui sont très liées aux propriétés des polymères constitutifs », complète M. Duffy.
Cette Opinion de la semaine rappelle que la FA ne concerne pas seulement les fabricants, les producteurs de matériaux ou les éditeurs de logiciels. La chaîne de valeur ne cesse de se développer et chaque acteur qui rejoint cette industrie aborde une question qui permet de mieux maîtriser l’ensemble du processus de la FA. Malvern Panalytical est l’un de ces acteurs aujourd’hui.
À ce jour, le Dr Duffy a révélé que le plus grand challenge consiste à suivre l’industrie pour pouvoir développer des instruments et des logiciels de plus en plus rentables, précis et conçus de manière intuitive pour répondre aux douleurs et aux besoins de leurs clients.
« Pour réaliser le potentiel de la fabrication additive, il faudra mettre davantage l’accent sur les matériaux utilisés en termes de compatibilité, de cohérence et de fonctionnalité des procédés. La caractérisation des matériaux sera donc essentielle au succès de la fabrication additive et nous, chez Malvern Panalytical, sommes enthousiastes à l’idée de participer à cette révolution », conclut le Dr Duffy.
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