Les nanofibres de carbone augmentent la dureté des pièces imprimées en 3D en aluminium

A l’université nationale de Science et de Technologie (NUST) MISIS en Russie, une équipe de scientifiques a développé un nouveau matériau composite pour améliorer la dureté des pièces imprimées en 3D. Il s’agit en réalité d’une poudre aluminium renforcée avec des nanofibres de carbone qui permettrait de multiplier par 1,5 la solidité des pièces produites par fabrication additive. Les nanofibres seraient en plus obtenues à partir des déchets issus du traitement du gaz de pétrole, inscrivant ce travail de recherche dans une démarche d’économie circulaire. Il devrait avoir un impact significatif sur le secteur aérospatial, un grand utilisateur d’aluminium et de fabrication additive. 

La fabrication additive métal offre de nombreux avantages à des secteurs comme le médical où il est possible de concevoir des dispositifs sur-mesure, mais aussi l’aérospatial qui peut imaginer des composants plus complexes et produire à la demande de petites séries. L’un des principaux défis qui persiste aujourd’hui est le métal lui-même employé pendant le processus de fabrication : un seul défaut en termes de propriétés et l’impression est ratée. D’ailleurs, l’étude publiée par Equispheres montrait bien que les poudres métalliques étaient encore inadaptées à la fabrication additive. Celles-ci devraient présenter 4 qualités essentielles : une fluidité élevée, une haute densité de répartition, une faible absorption d’humidité et une haute stabilité chimique lorsque le laser chauffe. La plupart du temps, c’est le titane qui est préféré de par son ratio poids/résistant, plus intéressant que celui de l’aluminium.

L’université russe avait déjà travaillé sur les façons d’améliorer la solidité de l’aluminium en 2018

C’est pourquoi nos scientifiques du NUST MISIS se sont penchés tout particulièrement sur l’aluminium, espérant trouver une solution pour répondre aux exigences de l’aérospatiale. Ils avaient d’ailleurs déjà travaillé sur ce métal en particulier, développant un matériau plus résistant. Pour eux, le point d’alerte se situe en termes de porosité du matériau – si elle est trop élevée, la pièce alors fabriquée sera défaillante et à risque.  Afin d’assurer une structure uniforme et dense de leurs composants imprimés en 3D, ils expliquent qu’ils ont ajouté des nanofibres de carbone à la poudre d’aluminium d’origine. Une étape qui leur permettrait de réduire considérablement la porosité de la poudre et d’augmenter sa dureté par 1,5 fois. 

Dr. Alexander Gromov,  chef du laboratoire et professeur au NUST MISIS, ajoute :”La modification de la composition chimique et de la phase de la poudre pour l’impression par l’introduction de composants supplémentaires dans la matrice principale permet d’améliorer ses propriétés. En particulier, les nanofibres de carbone ont une conductivité thermique élevée, ce qui contribue à minimiser les gradients de température entre les couches imprimées lors de la synthèse du produit, au stade de la fusion sélective par laser. Grâce à cela, la microstructure du matériau peut être presque complètement éliminée des inhomogénéités.”

Afin d’obtenir cet additif de carbone, les chercheurs auraient utilisé différentes méthodes comme le dépôt chimique, le traitement para ultrasons ou encore le traitement thermique par infrarouge. Ce sont en effet des procédés qui génèrent du carbone : celui-ci s’accumule sous forme de nanofibres au fur et à mesure de la décomposition catalytique des huiles utilisées et usagées. En temps normal, ces huiles sont brûlées dans les champs, ayant ainsi un grave impact environnemental. Or dans le cas de cette recherche, elles sont utilisées pour renforcer la poudre d’aluminium. Le professeur Gromov conclut : « L‘application de notre nouvelle méthode a également une sérieuse signification environnementale, c’est très positif. »

L’aluminium n’est généralement pas le métal préféré dans le secteur aérospatial mais ces travaux de recherche pourraient changer la donne

Les scientifiques chercheront dans un second temps à déterminer les conditions optimales de fabrication quand il s’agit d’un procédé de fusion laser. L’objectif serait également de concevoir un procédé de post-traitement adapté au matériau. Vous pouvez retrouver davantage d’informations ICI.

*Crédits photo de couverture : Sergey Gnuskov/NUST MISIS

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