Des céramiques imprimées en 3D pour améliorer les vols hypersoniques

La fabrication hypersonique est l’un des domaines de recherche les plus difficiles dans les applications aérospatiales modernes. Les véhicules qui se déplacent à plus de cinq fois la vitesse du son doivent résister à des conditions extrêmes, notamment à des températures de plus de 2 000 °C et à d’énormes charges mécaniques. Les matériaux conventionnels atteignent rapidement leurs limites. C’est pourquoi les chercheurs du Purdue Applied Research Institute (PARI) développent actuellement des procédés de fabrication additive pour produire par impression 3D des céramiques sombres de formes complexes pour les composants des véhicules hypersoniques.

Les céramiques sombres ont été choisies parce qu’elles peuvent résister aux conditions extrêmes des vols hypersoniques et qu’elles sont moins susceptibles de se fissurer ou de s’user. Rodney Trice, professeur à la School of Materials Engineering du College of Engineering et responsable du traitement des céramiques au Hypersonics Advanced Manufacturing Technology Center (HAMTC) du PARI, dirige les recherches. L’objectif ? Imprimer en 3D des composants à grande échelle afin d’accroître l’efficacité et les performances des véhicules hypersoniques.

Illustration du processus DLP classique, commercialisé à l’origine par EnvisionTEC (crédits photo : Wevolver)

L’équipe a utilisé les imprimantes 3D de l’HAMTC qui utilisent la technologie DLP et fonctionnent avec un projecteur de lumière UV. Celle-ci irradie une fine couche de poudre céramique et de résine, ce qui durcit le matériau et fixe la poudre. Trice souligne que ce processus permet de produire des dessins et des géométries complexes avec des surfaces lisses et une précision de l’ordre du micromètre. L’équipe a réussi à produire différentes formes, notamment des cônes et des hémisphères, qui conviennent à la construction de véhicules hypersoniques.

Néanmoins, la recherche a présenté des défis, notamment en ce qui concerne l’interaction de la couleur avec la lumière UV de l’imprimante 3D. Les céramiques claires, comme l’oxyde d’aluminium, réfléchissent et diffusent la lumière, ce qui permet à l’ensemble de la couche de durcir uniformément. Les céramiques sombres, en revanche, ont tendance à absorber la lumière, ce qui entrave le processus de durcissement.

Comme les poudres sombres absorbent la lumière UV qui serait nécessaire pour durcir le matériau, nous ne pouvons pas former une couche aussi épaisse. Par conséquent, nous obtenons des profondeurs de polymérisation trop faibles, ce qui a un impact négatif sur le temps nécessaire à la fabrication de chaque pièce, explique Trice.

C’est pourquoi il a travaillé avec Matthew Thompson, doctorant en ingénierie des matériaux, et Dylan Crump, ingénieur de recherche en céramique au HAMTC, pour étudier les systèmes de résine, les traitements de surface et d’autres approches permettant d’augmenter les profondeurs de polymérisation. « Nous avons essentiellement fonctionné comme un banc d’essai de recherche et de développement pour ces matériaux. Nous avons ajusté les propriétés et effectué des modifications de surface afin d’améliorer leurs performances et le processus d’impression », souligne Matthew Thompson.

L’équipe s’efforce également d’éviter les problèmes lors de la phase de post-traitement, qui peut s’avérer particulièrement difficile pour les composants de grande taille. Par exemple, la délamination, c’est-à-dire le décollement ou la séparation de la pièce entre les couches, ou la fissuration, qui peut devenir un risque. « Ce que nous essayons de faire, c’est de trouver des solutions pour mettre en place une filière de fabrication de ces pièces ou de trouver des stratégies que les parties prenantes peuvent utiliser. Cela donne aux gens un point de départ pour gagner du temps dans la recherche et le développement de tout nouveau système », poursuit-il. Pour en savoir plus, cliquez ICI.

Que pensez-vous de l’utilisation de céramiques sombres en fabrication additive ? N’hésitez pas à partager votre avis dans les commentaires de l’article. Vous êtes intéressés par l’actualité de l’impression 3D dans l’aérospatiale et la défense ? Cliquez ICI. Vous pouvez aussi nous suivre sur Facebook ou LinkedIn !

*Crédits photo de couverture : Purdue University/Charles Jischke