La fabrication additive métallique (AM) offre la possibilité d’imprimer des structures métalliques aux géométries complexes et aux propriétés mécaniques uniques, mais le manque de compréhension des phénomènes pendant l’impression 3D limite la fiabilité de la technologie et la qualité des pièces, freinant son adoption à grande échelle dans l’industrie.
L’équipe de caractérisation non destructive (NDE) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) s’attaque activement à ce problème. Elle a développé une méthode pionnière pour étudier l’évolution des matériaux et des structures pendant l’impression de pièces métalliques par fabrication additive. Les techniques de caractérisation non destructive envoient des signaux (rayons X, ultrasons ou courant électrique) à travers l’objet, observent leurs modifications pour déduire des informations et reconstruire des images de la structure interne ; elles sont essentielles au contrôle qualité de toutes les pièces manufacturées et, dans le cas de la fabrication additive métallique, permettent de détecter précocement les défauts d’impression.
La plupart des procédés de fabrication additive métallique reposent sur la chaleur pour assembler les matériaux ; or les métaux sont très sensibles à la température, les changements structurels sont importants pendant l’impression et la diffusion de chaleur affecte la qualité de la liaison, générant souvent des défauts qui nuisent à la constance de la qualité. La majorité des techniques NDE classiques ne pénètrent pas la source de chaleur et ne détectent que la température de surface. L’équipe a utilisé la surveillance par courants de Foucault pour mesurer la température interne lors de la fusion laser sur lit de poudre métallique (LPBF) ; les capteurs à courants de Foucault, sensibles à la conductivité électrique liée à la température, fournissent des informations en temps réel sur la température locale à l’intérieur de la structure. Des simulations menées par des collaborateurs de l’Université d’État du Michigan ont confirmé la faisabilité de la méthode ; l’équipe a ensuite validé expérimentalement les résultats et publié un article à ce sujet. Le chercheur postdoctoral MED Ethan Rosenberg explique qu’il s’agit de la première observation par capteur à courants de Foucault d’un processus thermique rapide et hors équilibre similaire à celui de la fabrication additive métallique. Rosenberg dirige actuellement la suite des recherches, en testant la méthode dans des conditions plus proches du réel.
Le responsable de l’équipe NDE, Joe Tringe, a lancé en 2018 le premier projet de recherche dirigée en laboratoire (LDRD) ; depuis, les travaux n’ont cessé de progresser. Le premier projet a démontré que les signatures en ondes millimétriques permettent de caractériser efficacement la forme des gouttelettes individuelles lors du procédé de projection de métal liquide ; les données collectées ont servi à entraîner des algorithmes d’apprentissage automatique pour prédire la forme des gouttes. Les projets suivants ont étendu les techniques à la tomographie par impédance électrique, la tomographie aux rayons X, les ultrasons et la détection neutronique, en se concentrant notamment sur les structures cristallines et les géométries complexes. L’équipe a également utilisé la caractérisation non destructive pour examiner les paramètres de traitement dans la fabrication additive laser métallique, notamment le traitement par ultrasons. Dans une étude récente publiée dans Communications Materials, l’équipe et ses collaborateurs ont démontré qu’il est possible d’utiliser l’imagerie synchrotron aux rayons X à haute vitesse pour effectuer des mesures, aidant ainsi les fabricants à optimiser leurs procédés et à améliorer la qualité des pièces.
