Des chercheurs impriment en 3D l’oxyde d’aluminium le plus résistant du marché

Des chercheurs de l’uiversité de Leoben en Autriche (Montanuniversität), connue principalement pour ses activités dans les domaines de l’exploitation minière, de la métallurgie et de la science des matériaux, ont réussi à imprimer en 3D de l’oxyde d’aluminium d’une résistance à la traction de 1 GPa (équivalent à 1 000 MPa). Le projet a été rendu possible grâce à l’imprimante 3D multi-matériaux CeraFab Multi 2M30 du fabricant autrichien Lithoz ; celui-ci se concentre sur le développement et la fabrication de matériaux et de systèmes de fabrication générative pour l’impression 3D de matériaux de substitution osseuse et de céramiques de haute performance. En collaboration avec les ingénieurs de Lithoz, les chercheurs de l’université ont donc pu utiliser un processus d’impression couche par couche pour générer des contraintes résiduelles contrôlées et ainsi créer efficacement un type d’oxyde d’aluminium. Il s’agit de l’un des matériaux céramiques oxydés les plus importants qui se caractérise par sa grande dureté, sa résistance à la corrosion et à la température. Les composants en alumine sont électriquement isolants, ont une résistance diélectrique et conviennent donc à de nombreuses applications.

La résistance à la traction d’un matériau correspond à sa contrainte de traction mécanique maximale. C’est l’une des propriétés les plus importantes des matériaux, car elle indique à la fois la résistance à la rupture et la ténacité (ainsi que la ductilité) d’une pièce. Plus la résistance à la traction est élevée, moins le matériau aura tendance à se déchirer. Cela est particulièrement vrai dans les domaines où l’on trouve des composants mécaniques structurels, comme dans la construction, l’industrie aérospatiale ou le secteur automobile. Aujourd’hui, l’impression 3D permet d’obtenir une résistance à la traction identique, voire supérieure, à celle des plastiques conventionnels obtenus par moulage par injection (par exemple l’ABS), comme l’ont démontré les chercheurs de l’université de Leoben et de Lithoz.

La CeraFab Multi 2M30 de Lithoz peut être utilisée pour imprimer avec différents matériaux (crédit photo : Lithoz)

Une résistance à la traction de 1 GPa grâce à l’approche multi-matériaux

Les chercheurs de l’université autrichienne ont opté pour une approche multi-matériaux en intégrant des couches d’oxyde d’aluminium et de zirconium entre les couches externes d’oxyde d’aluminium pur, avec des contraintes de compression internes considérables. L’impression 3D étant réalisée avec différents matériaux, les chercheurs expliquent qu’ils peuvent contrôler le placement des matériaux de manière à les rendre plus denses que l’alumine pure (ou monolithique) pendant le frittage. La résistance à la traction de 1 GPa – par rapport à la résistance de 650 MPa pour l’oxyde d’aluminium monolithique – a pu être obtenue grâce aux différents matériaux et températures : pendant le frittage, les différentes couches de matériau se serrent encore plus les unes contre les autres en raison des différentes températures. Cela conduit à des contraintes de compression internes contrôlées.

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été déployés pour développer des architectures céramiques multi-matériaux présentant une résistance améliorée. Le jeu en valait visiblement la chandelle : jusqu’à présent, il s’agit du premier rapport sur l’utilisation de la fabrication additive pour ajuster la résistance des céramiques d’oxyde d’aluminium. La technologie d’impression 3D LCM de Lithoz a notamment contribué à cette avancée, qui a également permis de faire progresser la production de matériaux céramiques en masse présentant d’excellentes propriétés mécaniques. Rappelons que les céramiques se distinguent par leurs propriétés exceptionnelles, telles que la biocompatibilité, la résistance à la corrosion et la résistance à l’usure. On pourrait ainsi produire des géométries plus complexes à des coûts moins élevés que les procédés traditionnels qui nécessitent des moules et outils plus chers à concevoir.

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*Crédits photo de couverture : xtra GmbH