Le développement de nouveaux matériaux aux exigences inédites en matière de post-traitement
Nous avons toujours été les premiers à saluer les approches de fabrication centrées sur la maîtrise des étapes de post-traitement. Depuis des années, nous rappelons à l’industrie que cette étape qui peut représenter jusqu’à 50 % du temps et des coûts de production totaux est ce qui transforme des pièces imprimées en 3D en pièces fiables. Des chercheurs de l’Université Cornell ont récemment conforté ce point de vue, démontrant qu’un traitement thermique soigneusement calibré peut sublimer l’IN718 produit par fabrication additive, en éliminant les phases indésirables et en améliorant l’allongement sans compromettre la résistance. Mais que se passerait-il si nous abordions la question sous un autre angle ? Et si nous concevions des matériaux qui n’auraient tout simplement pas besoin de tout ce travail supplémentaire ?
Soyons clairs : cet article ne vise pas à démontrer que le post-traitement peut être éliminé. À nos yeux, cette étape cruciale du processus de fabrication reste irremplaçable, ou du moins toujours nécessaire à un moment ou à un autre. Cependant, avec l’éventail croissant de matériaux explorés en fabrication additive, notamment les métaux réfractaires, il existe une marge pour alléger certaines étapes et rendre la production de pièces imprimées en 3D plus efficace.
Cette marge se situe peut-être au niveau du développement des matériaux. La question est de savoir comment et où.
À ce stade, nous avons identifié trois approches distinctes pour développer des matériaux pour la FA nécessitant un post-traitement minimal :
- Concevoir des matériaux en intégrant dès le départ les propriétés « telles que construites » (as-built), afin d’obtenir les propriétés mécaniques et de surface souhaitées directement à la sortie de l’imprimante, réduisant voire éliminant ainsi le traitement thermique ou le HIP.
- Développer des matériaux à surface optimisée, qui produisent naturellement des surfaces plus lisses ou une faible rugosité après l’impression. Ces matériaux sont conçus pour des bains de fusion stables, limitant les défauts de surface induits par les projections qui nécessiteraient normalement un usinage. Le GRCop-42, par exemple, est un alliage de cuivre à haute conductivité et haute résistance, adapté aux applications à flux thermique élevé telles que les dispositifs de combustion des moteurs de fusées. Il atteint une conductivité supérieure en dissipant la chaleur plus rapidement.
- Ajuster simultanément la chimie et les paramètres de procédé pour « imprimer la microstructure » souhaitée. Concrètement, des alliages peuvent être formulés de sorte que les précipités de renforcement se forment pendant le procédé de FA lui-même, plutôt que lors d’un vieillissement post-construction.
« De nouveaux matériaux arrivent sur le marché qui envisagent de nouvelles voies de mise en œuvre, comme l’impression 3D, comme des vecteurs de possibilités plutôt que comme des contraintes à “résoudre”. C’est un changement de paradigme : l’objectif, dans la conception des alliages et des procédés, devient de savoir comment tirer parti de ces nouveaux procédés pour créer de meilleures solutions, plutôt que de simplement reproduire les performances des voies de fabrication traditionnelles comme le moulage.
Une catégorie exemplaire illustrant ce changement est l’usage croissant des métaux réfractaires, comme notre famille d’alliages Molyclast™ et nos aciers hautement réfractaires en développement. Ceux-ci sont conçus non seulement pour l’aptitude à l’impression (via un frittage avancé), mais pour des performances supérieures dans des environnements où les alliages conventionnels se dégradent rapidement.
Les flux de travail traditionnels en FA s’appuient massivement sur le HIP et les traitements thermiques pour corriger la porosité, l’anisotropie ou les microstructures fragiles. Avec ces nouvelles familles de matériaux, la fenêtre de traitement est encore plus étroite, et ces post-traitements conventionnels ajoutent souvent des coûts sans résoudre pleinement le problème.
C’est pourquoi des approches comme la nôtre sont importantes : en concevant les alliages et les procédés conjointement, nous produisons des pièces haute densité et haute performance à l’état fritté. Cela ouvre non seulement un potentiel ingénierie entièrement nouveau, mais réduit ou élimine également le besoin de post-traitements coûteux et chronophages et, associé à la mise en forme quasi nette, permet de rationaliser l’ensemble du flux de production » Jake Guglin, CEO de Foundation Alloy.
Cette spin-off du MIT figure parmi les rares producteurs de matériaux ayant fait des métaux réfractaires l’un de leurs cœurs de métier. Bien que recherchés pour leurs performances extrêmes, les métaux réfractaires demeurent les métaux les moins bien compris et les plus difficiles à mettre en œuvre.
Les métaux réfractaires sont souvent associés à des métaux plus courants pour leur conférer certaines de leurs propriétés remarquables. La FA offre la possibilité de produire des pièces finies directement à partir de matériaux à base réfractaire, leur permettant d’exprimer leurs propriétés extraordinaires, sans qu’il soit nécessaire de les allier à des métaux plus faciles à mettre en œuvre.
Foundation Alloys a percé le secret du traitement des métaux réfractaires, et leur force réside dans la conception conjointe de nouveaux alliages et procédés.
« Nos alliages sont conçus dès le départ pour minimiser les traitements en aval. À l’état fritté, les matériaux produits avec notre procédé propriétaire MetalsFIRST™ atteignent une densité supérieure à 98 %, avec des microstructures entièrement maîtrisées, nous n’avons donc pas à recourir à des traitements secondaires tels que le traitement thermique ou le HIP. Par exemple, le Molyclast™ MC700 est isotrope directement à la sortie du four, sans nécessiter d’étapes sous hydrogène ou sous vide poussé. Et parce que nous utilisons la métallurgie des poudres, nous pouvons livrer des pièces quasi nettes, ce qui réduit considérablement l’usinage » Guglin note.
D’une manière générale, outre leurs points de fusion très élevés (W ≈ 3 400 °C), qui provoquent des bains de fusion instables, les métaux réfractaires présentent également une faible coulabilité et une viscosité élevée, sources de porosité et de défauts internes. De plus, leur faible ductilité à température ambiante et les forts gradients thermiques lors de la FA engendrent des contraintes résiduelles.
Point notable : les pièces fabriquées avec les matériaux de Foundation Alloys sortent du four avec une densité supérieure à 98 %, entièrement isotropes et dotées de microstructures fines et maîtrisées. Cela élimine les défaillances liées à la porosité et supprime le besoin de densification post-traitement.
« Pour nous, l’expertise ne réside pas seulement dans l’invention de compositions, mais dans la maîtrise de toute la chaîne, de la poudre à la pièce finie. Nous démontrons que les nouveaux métaux haute performance peuvent être à la fois évolutifs et économiques, deux conditions indispensables si ce secteur doit générer la vague technologique industrielle qui lui est promise. L’impact suppose que les pièces soient sur le terrain, en train de changer les choses — et c’est là que nous nous battons le plus fort, » Guglin note.
Alors que de plus en plus d’entreprises se tournent vers les métaux réfractaires, la grande question est la suivante : quelles applications marqueront véritablement le marché mondial et bousculeront l’industrie réfractaire traditionnelle ? Foundation Alloys nous montre ce qui est possible, mais la véritable preuve viendra lorsque nous verrons des pièces en action. Les applications les plus convaincantes ne se contenteront pas d’illustrer la promesse de matériaux nécessitant un post-traitement minimal ; elles démontreront qu’avec les métaux réfractaires, des pièces imprimées en 3D prêtes pour la production peuvent être fabriquées plus rapidement et plus efficacement que jamais. Ce sujet sera approfondi dans un prochain article.
