Imprimer en 3D des pièces métalliques sans fissure

Depuis son arrivée dans le monde industriel, l’impression 3D ou fabrication additive a drastiquement transformé les modes de production. Elle permet de manufacturer rapidement des pièces à la géométrie d’une complexité nouvelle.

Pour façonner des pièces en alliages métalliques, les industriels utilisent une méthode dite de fusion sélective par laser (SLM). En d’autres termes, un laser de haute puissance fusionne localement des poudres métalliques, et crée, couche par couche, des formes spécifiques en 3 dimensions. La poudre non fusionnée étant évacuée à la fin du processus. Cependant, certains alliages et métaux ne supportent pas ce procédé, en raison des fortes variations de température, et se fissurent.

A l’EPFL, les chercheurs du Laboratoire de métallurgie thermomécanique, dirigé par Roland Logé à la faculté des Sciences et Techniques de l'Ingénieur, ont mis au point une méthode qui permet de réduire drastiquement ces fissures, et d’obtenir des pièces inédites résistant à de hautes températures, à l’endommagement et à la corrosion. L’astuce consiste à appliquer périodiquement, en plus de la fusion laser de base, un deuxième traitement laser, une fois toutes les quelques couches, durant le procédé de fabrication.

La méthode, brevetée, apparaît dans Additive Manufacturing. Elle pourrait permettre de réaliser les nouvelles aubes de turbines du domaine énergétique, ainsi que des pièces-clés du domaine de l’aéronautique.

Une onde de choc envoyée sur le matériau
Les résultats sont parlants. Dans un échantillon fait de super alliage base Nickel, les chercheurs sont par exemple parvenus à effacer jusqu’à 95 % des fissures observées habituellement. La méthode va maintenant être testée avec différents alliages ayant la même propension à la fissuration.

Comment ça marche ?

Pour «soigner» les fissures en temps réel lors de la fabrication, les chercheurs bombardent périodiquement la pièce dans la zone qui vient d’être fusionnée avec un laser pulsé (méthode de Laser Shock Peening ou LSP), effectuant ainsi un véritable martelage photonique de grande énergie sur une petite surface. Cette opération crée des ondes de choc dans la matière.

Deux lasers sont ainsi à l’œuvre : le premier pour fusionner les poudres et chauffer la matière déjà consolidée, et l’autre, pour introduire des contraintes spécifiques dans la pièce à des endroits cibles, de sorte à éliminer les fissures présentes. «Le Laser Shock Peening est habituellement utilisé pour des traitements de surface », indique Roland Logé. « Ici, nous travaillons directement dans le volume du matériau».

Plusieurs entreprises du secteur de la fabrication additive ont déjà fait part de leur intérêt pour cette approche novatrice. «Cette méthode d’impression 3D hybride ouvre la voie à de multiples innovations, qui vont au-delà de la suppression de fissures. Nous commençons tout juste à les mettre en lumière», conclut Roland Logé.