#Startup3D : MatterWave utilise des ondes mécaniques pour maîtriser l’impression 3D métal
Si l’impression 3D métal maîtrise aujourd’hui la fusion de la poudre, le comportement du métal lors de son refroidissement et de sa solidification reste en grande partie aléatoire. Pour quiconque travaille avec la fusion laser sur lit de poudre (LPBF), les conséquences sont bien connues : contraintes résiduelles, fissuration, variabilité d’une pièce à l’autre, ainsi qu’une longue série de traitements thermiques et de tests de qualification. Dès lors, seule une poignée d’alliages s’imprime actuellement de manière fiable.
La startup américaine MatterWave souhaite justement prendre le contrôle de cette phase de refroidissement. Son module de rétrofit, Daedalus, s’intègre au plateau d’impression d’une imprimante 3D métal existante et diffuse des vibrations mécaniques calibrées dans le bain de fusion pendant sa solidification, façonnant ainsi la structure cristalline du métal en temps réel. Dans son dossier de candidature au prix de la SME, MatterWave indique que les premiers résultats révèlent une résistance à la fatigue jusqu’à 10 fois supérieure à celle des fabrications conventionnelles.
L’EOS M 290 équipée du système Daedelus.
Nous avons échangé avec Alex Tiliță, PDG et cofondateur de MatterWave, sur le fonctionnement de cette technologie, les raisons pour lesquelles l’entreprise a opté pour le rétrofit plutôt que de concevoir sa propre imprimante, et les matériaux qu’elle pourrait rendre accessibles.
D’un laboratoire de Hong Kong à un module de rétrofit
Originaire de Roumanie, Alex Tiliță a consacré plus de quinze ans à la recherche sur la fabrication additive métal, notamment dans le cadre d’un doctorat et d’un post-doctorat à l’Université des sciences et technologies de Hong Kong. Il a cherché à comprendre pourquoi cette technologie, malgré son potentiel, demeurait si rarement utilisée en production. En s’appuyant sur ses connaissances en physique des ondes, il a conclu que des problèmes tels que la faible résistance à la fatigue, le manque de répétabilité et la nécessité d’un traitement thermique trouvaient leur origine dans la manière dont la structure cristalline du métal se forme lors du refroidissement.
À l’origine, MatterWave ambitionnait de construire sa propre imprimante 3D métal à Hong Kong. Après son installation aux États-Unis, l’équipe a conclu que les machines LPBF du marché étaient déjà performantes et bénéficiaient d’une documentation solide ; il n’était donc pas nécessaire de réinventer la roue. « Nous nous sommes alors concentrés sur ceci : quelle est notre expertise principale ? Quelle est la chose que personne d’autre sur la planète ne peut faire, à part nous ? », explique Alex Tiliță.
Le fonctionnement de Daedalus de MatterWave
Si les fabricants d’imprimantes 3D maîtrisent aujourd’hui très bien le chauffage de la poudre métallique, la transition de l’état liquide à l’état solide est restée largement passive, selon Alex Tiliță. Daedalus a précisément été conçu pour rendre ce processus actif. Le module, qui consiste essentiellement en un empilement de transducteurs, introduit des vibrations à une fréquence et une amplitude spécifiques lors de la solidification du bain de fusion, influençant ainsi la nucléation et l’alignement des cristaux. La fréquence s’ajuste à chaque matériau, en fonction de ses propriétés thermomécaniques et d’autres paramètres.
Ces vibrations sont des phonons, l’équivalent mécanique des photons, qui ont d’ailleurs donné son nom à l’entreprise. Le module n’ayant besoin que de s’intégrer au volume de fabrication, MatterWave affirme pouvoir l’adapter à presque n’importe quelle imprimante 3D métal. Les bénéfices se révèlent particulièrement marqués pour les procédés impliquant la fusion du matériau, tels que la LPBF et le dépôt de matière sous énergie concentrée (DED).
Le mécanisme des phonons influence la façon dont les cristaux nucléent et s’alignent pendant l’impression.
Ouvrir la voie à de nouveaux alliages
L’une des promesses majeures de cette technologie consiste à rendre exploitables des matériaux actuellement trop sujets à la fissuration pour être imprimés. Alex Tiliță explique que ces fissures dépendent généralement du mode de formation des cristaux. Dans les aciers à haute teneur en carbone, par exemple, le carbone piégé dans le réseau cristallin génère des contraintes qui fragilisent la pièce. Avec Daedalus, les cristaux se forment plus tôt, ce qui laisse aux éléments d’alliage le temps de se diffuser hors du réseau, produisant ainsi une structure moins soumise aux contraintes, plus ductile et plus élastique.
Lors de la récente International Conference on Advanced Manufacturing (ICAM) à Orlando, des clients potentiels ont manifesté leur intérêt pour des alliages tels que l’aluminium 7075, l’Hastelloy, l’Inconel 738, 939 et 247, ainsi que pour les aciers à outils, indique-t-il. « Avec la fabrication additive métal, nous n’avons fait qu’effleurer la surface en ce qui concerne les matériaux que nous sommes actuellement capables d’imprimer en 3D correctement », précise-t-il. « Il existe de nombreuses études et tout le monde propose de nouveaux alliages plus faciles à imprimer… Or, nous avons à notre disposition de nombreux autres alliages que nous connaissons bien et sur lesquels nous travaillons. »
Surmonter le goulot d’étranglement de la qualification
MatterWave a installé Daedalus sur une machine EOS M 290 et entame une campagne complète de qualification pour l’Inconel 718, dans le cadre d’un contrat récemment décroché visant le secteur aérospatial. L’objectif est de démontrer de manière probante que cette technologie peut réduire le poids des traitements thermiques et de la qualification, ce que Alex Tiliță décrit comme l’un des principaux obstacles soulevés par l’industrie lors de l’ICAM.
La qualification d’un procédé de fabrication additive métal prend généralement un à deux ans et peut coûter environ un million de dollars ou plus, estime-t-il. Ces délais et ces coûts découlent en grande partie de la variabilité : les propriétés peuvent en effet différer selon les machines, les géométries, et même selon l’emplacement sur un même plateau d’impression. En réduisant cet écart, MatterWave espère accélérer la qualification et, à terme, rendre possible l’échantillonnage statistique tel qu’il se pratique dans l’industrie automobile.
MatterWave utilise cette machine pour qualifier l’Inconel 718.
L’ambition à plus long terme vise à réduire progressivement la nécessité du post-traitement, comme le détensionnement, le pressage isostatique à chaud (HIP) et divers autres traitements thermiques, en imprimant les propriétés mécaniques souhaitées directement au sein d’une pièce. MatterWave qualifie ce concept de « matière programmable ». Alex Tiliță reconnaît qu’il s’agit d’un objectif ambitieux qui prendra du temps.
La suite pour MatterWave
Malgré plus de dix ans de recherche, MatterWave se considère encore en phase de démarrage. Cette année, l’entreprise a commencé à intervenir comme sous-traitant dans le cadre d’une subvention gouvernementale américaine Small Business Innovation Research (SBIR). Depuis que Alex Tiliță a publié ses premiers travaux sur cette approche en 2017, des groupes de recherche à travers le monde l’ont validée sur diverses machines, matériaux et gammes de fréquences, précise-t-il. L’entreprise procède désormais à la validation de ses promesses commerciales et estime qu’un lancement sur le marché pourrait avoir lieu d’ici deux ans environ.
Interrogé sur ses impressions finales, Alex Tiliță a répondu en un seul mot : l’enthousiasme. « Je suis enthousiaste pour l’avenir, car ce que nous débloquons potentiellement peut véritablement faire prospérer l’industrie dans son ensemble », a-t-il déclaré.
Plus d’informations sur MatterWave sont disponibles sur son site web ICI.
L’équipe de MatterWave, de gauche à droite : Ben Ferrar, cofondateur ; Alex Tiliță, cofondateur et PDG ; Caitlin Oswald, cofondatrice et directrice des opérations.
Les modules de rétrofit comme Daedalus pourraient-ils être la clé pour ouvrir la voie à de nouveaux alliages en impression 3D métal ? Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou LinkedIn !
*Photo de couverture : Alex Tiliță, PDG de MatterWave, aux côtés de l’EOS M 290 équipée du système Daedalus. Crédit photo : MatterWave
