Afin d’éviter les modifications de la microstructure des métaux au cours du processus d’impression 3D, des chercheurs de l’université Cornell ont mis au point une méthode permettant de contrôler avec précision la solidification du métal et sa transformation.
« Un problème majeur est que la plupart des matériaux que nous imprimons forment des structures en forme de colonnes qui peuvent affaiblir le matériau dans certaines directions », a déclaré l’auteur principal, Atieh Moridi, professeur adjoint et Aref and Manon Lahham Faculty Fellow à la Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, à Cornell Engineering. « Nous avons découvert qu’en ajustant la composition des alliages, nous pouvions essentiellement perturber ces structures en forme de colonnes et obtenir un matériau plus uniforme. »
En ajustant les quantités relatives de manganèse et de fer dans leur matériau de départ, l’équipe a perturbé la croissance des grains en forme de colonne, réduit de manière significative la taille des grains et amélioré la limite d’élasticité du métal fini.
« Les caractéristiques microstructurales, comme la taille des grains, sont les éléments de base qui régissent les performances et les propriétés des matériaux », explique Moridi. « La composition du matériau contrôle la stabilité des phases, ce qui nous a permis de contrôler la microstructure. »
Les structures granulaires en forme de colonne se forment et se développent en une fraction de seconde seulement pendant le changement de phase du processus d’impression, ce qui explique pourquoi les scientifiques avaient auparavant eu du mal à étudier ce phénomène, a déclaré le premier auteur de l’étude, Akane Wakai, Ph.D. ’24.
« La difficulté était d’essayer de résoudre ces très courtes périodes de temps pendant lesquelles le matériau passe de l’état liquide à l’état solide », a expliqué Mme Wakai. Le produit final ne porte aucune empreinte de son état antérieur, ce qui revient à essayer de comprendre à quoi ressemblait un flocon de neige à partir d’une goutte d’eau fondue.
L’équipe a surmonté cet obstacle en utilisant la source synchrotron à haute énergie de Cornell pour obtenir des données à la fraction de seconde sur leurs matériaux pendant le processus d’impression. Dans l’échantillon le plus performant, a déclaré M. Moridi, « nous avons trouvé des preuves de l’existence d’une phase intermédiaire qui peut aider à perturber ces grains en forme de colonne et à affiner la structure des grains ».
La compréhension des propriétés matérielles de l’alliage de départ et des changements de phase qui en résultent pourrait constituer une nouvelle base pour le choix des métaux destinés à l’impression 3D.
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