Lorsqu’une pièce métallique sort de l’imprimante 3D, ses faiblesses se concentrent en surface : rugosité, contraintes résiduelles de traction figées pendant l’impression, et petits défauts internes tels que des pores gazeux.
Dans une pièce soumise à des sollicitations répétées (un composant de moteur, une ferrure aéronautique ou un bras de suspension, par exemple), ces faiblesses deviennent les points d’amorçage des fissures. C’est ce que l’on appelle la rupture par fatigue, et c’est l’une des principales raisons pour lesquelles les pièces métalliques imprimées peinent encore à s’imposer dans les applications critiques de l’aéronautique, de l’automobile et de l’énergie.
Les industriels peuvent y remédier par des traitements mécaniques de surface : le grenaillage de précontrainte (projection de billes sur la surface), le brunissage et le galetage (pression ou roulage d’un outil dur sur la surface). Ces trois procédés durcissent la couche superficielle et y introduisent des contraintes de compression, ce qui rend l’amorçage des fissures nettement plus difficile.
Le problème est qu’il n’existait aucun modèle de calcul exploitable pour appliquer ces traitements aux pièces imprimées. Les ingénieurs savaient que les méthodes fonctionnaient, mais ne pouvaient pas prédire l’effet d’un jeu de paramètres donné sur un composant donné ; chaque pièce imposait donc une nouvelle campagne d’essais physiques.
Fraunhofer IWM indique avoir comblé cette lacune grâce à une chaîne de calcul basée sur des modèles : sélectionner le traitement en fonction de la zone la plus sollicitée du composant, simuler l’effet du procédé sur la couche superficielle, puis intégrer ce résultat dans une évaluation de la durée de vie en fatigue fondée sur les directives FKM, déjà largement utilisées dans l’industrie allemande.
Validée sur les alliages AlSi10Mg, 316L et Ti6Al4V, cette approche permet selon l’institut des gains de résistance à la fatigue allant jusqu’à 40 %, calculés en amont, avant même le traitement de la première pièce.
L’intérêt le plus immédiat se situe au stade du pré-développement : l’ensemble de la chaîne étant numérique, les ingénieurs peuvent comparer plusieurs stratégies de post-traitement (pression de grenaillage, force de contact, recouvrement des passes) et en évaluer l’effet prévisionnel sur la durée de vie avant même qu’un premier composant ne soit fabriqué ou testé.
Fraunhofer IWM souligne un second bénéfice, décisif en production : les pièces imprimées rompant très majoritairement en surface, un post-traitement adapté peut absorber en partie la variabilité d’un lot à l’autre qui affecte encore le procédé d’impression lui-même.
Et parce que la simulation de procédé s’appuie sur des propriétés fondamentales telles que la limite d’élasticité et la résistance à la traction, l’institut estime que l’approche peut être étendue à d’autres alliages que les trois sur lesquels elle a été validée.
Selon les chercheurs, l’obstacle n’a jamais été les traitements eux-mêmes, mais le maillon manquant entre les paramètres de procédé et la durée de vie, ainsi que l’absence de méthode de vérification de la tenue en fatigue obtenue. Avec cette nouvelle approche, affirment-ils, de nouvelles possibilités d’application s’ouvrent désormais.
Financement du projet
Ces résultats sont issus du projet Post-traitement mécanique de surface de composants métalliques fabriqués additivement pour l’amélioration ciblée de la résistance à la fatigue (référence de financement IGF 22833 N), financé par le ministère fédéral allemand de l’Économie et de l’Énergie (BMWE), puis prolongé et élargi.
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