Les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les technologies et systèmes céramiques IKTS ont développé une nouvelle technologie de fabrication additive qui permet de combiner plusieurs matériaux pour former une pièce imprimée en 3D.
Le système Multi Material Jetting (MMJ) est basé sur des systèmes de liants thermoplastiques. L’accent a été mis sur le développement de ce système en se concentrant sur les améliorations qui étaient possibles avec les métaux et les matériaux à base de céramique.
« Actuellement, nous pouvons traiter jusqu’à quatre matériaux différents à la fois », explique Uwe Scheithauer, chercheur au Fraunhofer IKTS.
Produire des composants multifonctionnels hautement intégrés avec des propriétés définies individuellement
Comme dans tous les processus de fabrication additive, un processus continu est nécessaire pour fabriquer la pièce. Cependant, les chercheurs expliquent que la poudre de céramique ou de métal à partir de laquelle la pièce sera fabriquée est répartie de manière homogène dans une substance liante thermoplastique. Les boues ainsi produites sont chargées dans des systèmes de micro-dosage (MDS) avant le début du processus de fabrication. Ces boues sont fondues dans le MDS à une température d’environ 100 degrés Celsius, créant ainsi une substance qui peut être libérée en très petites gouttelettes. Les chercheurs de l’IKTS ont également développé un logiciel correspondant pour assurer un positionnement précis des gouttelettes pendant la fabrication. Les systèmes de microdosage fonctionnent selon un processus de haute précision, contrôlé par ordinateur, et déposent les gouttelettes une par une exactement au bon endroit. La pièce s’accumule ainsi progressivement goutte à goutte à des vitesses pouvant atteindre 60 mm et 1 000 gouttes par seconde. Le système fonctionne avec des gouttelettes d’une taille comprise entre 300 et 1000 μm, créant des couches déposées d’une hauteur comprise entre 100 et 200 μm. La taille maximale des pièces pouvant être fabriquées actuellement est de 20 × 20 × 18 centimètres.
« Le facteur critique ici est le dosage personnalisé des boues métalliques ou céramiques. Il est essentiel de bien doser pour que le produit final fabriqué de manière additive acquière les propriétés et les fonctions requises lors du frittage ultérieur dans le four, notamment des propriétés telles que la résistance, la conductivité thermique et la conductivité électrique », explique M. Scheithauer.
Le nouveau système IKTS peut être utilisé pour fabriquer des pièces très complexes comme le système d’allumage d’un moteur de propulsion de satellite en céramique. Les chambres de combustion des moteurs de satellites atteignent des températures extrêmement élevées, de sorte que la capacité des céramiques à résister à la chaleur en fait un choix de matériau idéal. Le MMJ peut être utilisé pour produire un système d’allumage directement intégré dans le moteur. Ce système d’allumage combine des zones électriquement conductrices et isolantes en un seul composant extrêmement robuste.
Dans ce cas, le procédé MMJ nécessite trois systèmes de dosage : un pour un matériau de support qui se désintègre lors du traitement thermique dans le four, un deuxième pour le composant électriquement conducteur et un troisième pour le composant électriquement isolant. Le MMJ a également de nombreuses applications imaginables sur le marché des produits de consommation – par exemple, une lunette de montre bicolore en céramique fabriquée pour un client individuel en tant qu’article unique.
Grâce à sa grande précision et à sa flexibilité, le système MMJ convient à bien plus que la simple fabrication de composants multifonctionnels.
« Nous pourrions également l’utiliser pour fabriquer des ébauches pour des pièces en carbure, par exemple. Grâce à l’énorme précision des systèmes de dosage, les contours des ébauches seraient déjà très proches de ceux du produit final. Ils ne nécessiteraient donc qu’un très faible meulage ultérieur par rapport aux méthodes conventionnelles. C’est un gros avantage lorsque vous travaillez avec du carbure », déclare M. Scheithauer.
Validation et commercialisation
Le projet du Fraunhofer IKTS a démontré que la technologie fonctionne également dans la pratique et qu’elle est évolutive. L’étape suivante consiste à valider la technologie pour une utilisation industrielle. En plus de fournir le matériel, le Fraunhofer IKTS peut également aider les clients industriels à développer les matériaux et les logiciels nécessaires à la surveillance et à l’automatisation des processus. Les clients peuvent donc tout obtenir auprès d’une seule source, tout en étant adaptés à leurs besoins spécifiques.
Pour plus d’informations sur cette technologie, veuillez vous inscrire à la conférence en ligne AM Ceramics meets CERAMITEC qui se tiendra les 16 et 17 septembre 2020.
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