Fusion laser sur lit de poudre : perspectives d’amélioration du processus grâce aux recherches de l’Institut Paul Scherrer

Pour la première fois, l’institut de recherche suisse est parvenu à réaliser une tomographie 3D d’une pièce en céramique en cours de fabrication additive via le procédé de fusion laser sur lit de poudre, indique une étude parue dans la revue spécialisée Communications Materials. Il s’agissait d’un défi technique, qui impliquait une rotation très rapide de la pièce en cours de construction. Cette capture du volume de la pièce en formation permet de mieux connaître le déroulé du processus de fusion laser sur lit de poudre, offrant ainsi des perspectives d’amélioration, notamment pour ce qui est de l’impression d’oxyde d’aluminium.

L’Institut Paul Scherrer (PSI) avait déjà réalisé des aperçus microscopiques du procédé de fusion laser sur lit de poudre via les rayons X de la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI, qui génère la lumière synchrotron avec laquelle les chercheurs étudient les propriétés de matériaux divers. Toutefois, les images obtenues alors étaient en deux dimensions. Malgorzata Makowska, spécialiste en science des matériaux au PSI, explique que l’équipe a souhaité effectuer “un pas de plus” en procédant à une tomographie 3D qui permette de suivre le rythme du faisceau laser. 

Une tomographie est une technique d’imagerie qui permet de reconstituer le volume d’un objet en réalisant une série de mesures depuis l’extérieur. Cette technique est particulièrement utilisée dans le secteur médical mais également en géophysique, en astrophysique et en mécanique des matériaux.

La pièce en formation était en oxyde d’aluminium. Ce matériau, utilisé dans l’industrie chimique mais également dans l’électrotechnique ou encore dans le secteur médical, a été choisi car jusqu’ici, il reste difficile de l’imprimer en obtenant une pièce finie totalement étanche ainsi que la microstructure adéquate. Et les méthodes traditionnelles ne sont pas adaptées non plus, le matériau étant très dur et cassant, ce qui complexifie la réalisation de formes complexes.

La pièce observée tournait à une vitesse de 50 hertz (3000 tours par minute) durant la tomographie. Un aimant a été utilisé pour éviter que le matériau en rotation ne se disperse en raison des forces centrifuges. Il était positionné sous la pièce en formation, au sein d’un cylindre expérimental de trois millimètres de diamètre. Une faible quantité d’oxyde de fer magnétique avait été ajoutée à l’oxyde d’aluminium. L’équipe du PSI est parvenue à capter une centaine d’images 3D par seconde durant le processus d’impression.

Les observations réalisées grâce à la tomographie se sont révélées intéressantes pour les chercheurs. Ils s’attendaient en effet à ce que le bain de fusion présente un creux en surface lorsque la puissance du laser était importante, or la surface est restée relativement plate, indique Malgorzata Makowska. Une autre observation instructive a été celle de la manière dont se formaient les trous et cavités durant la solidification du matériau.

« Nous espérons que nos expériences nous permettront d’en apprendre davantage sur le processus d’impression et de transmettre ces connaissances pour qu’elles trouvent un jour des applications pratiques, même si le chemin est encore long », conclut Steven Van Petegem, physicien au PSI. 

La Source de Lumière Suisse sera prochainement mise à niveau. En outre, les nouvelles lignes de faisceaux TOMCAT 2.0 seront mises en service en 2025. Deux évolutions qui permettront l’étude de matériaux plus denses ayant une résolution spatiale et temporelle plus élevée. Et, ainsi, favoriseront le développement de la technologie de fusion laser sur lit de poudre.

Pour en savoir plus sur l’étude du PSI, cliquez ICI.

Que pensez-vous de cette récente étude du Paul Scherrer Institut ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou Twitter !

*Crédits photo de couverture : Institut Paul Scherrer/Mahir Dzambegovic : Federica Marone, Malgorzata Makowska et Steven Van Petegem (de gauche à droite) à la station expérimentale TOMCAT de la SLS où les prises de vue en 3D ont été réalisées.