L’impression 3D de matériaux classés fonctionnellement obtient un F

L’impression 3D de matériaux classés fonctionnellement obtient un F

Un développement passionnant et potentiellement révolutionnaire de l’impression 3D à combustion lente est celui des matériaux à gradient (également appelés matériaux à gradient fonctionnel, ou MGF). Avec les MGF, nous pouvons mélanger des matériaux de manière à obtenir des densités, des duretés et des compositions de matériaux différentes au niveau de n’importe quel voxel. La fusion par faisceau d’électrons, divers procédés de dépôt à énergie dirigée et PolyJet ne sont que quelques-unes des technologies potentiellement capables de produire des matériaux à gradient.

L’idée de contrôler les propriétés à chaque voxel m’inspire énormément. Nous ne pouvons pas commencer à imaginer comment les parties en gradient pourraient changer la façon dont les choses peuvent être faites. Nous pourrions créer des zones de froissement dans les objets, concevoir des pièces d’usure pour qu’elles puissent être remplacées à intervalles réguliers, rendre les objets conducteurs ou magnétiques dans certaines zones ou leur conférer différents degrés de magnétisme.

Un mélangeur de MGF utilisant le procédé CODE.

Stratasys a un rasoir qu’ils utilisent pour illustrer le concept. Les parties antidérapantes sont imprimées en douceur, d’autres zones ressemblent plus à des coussins, le manche lui-même est rigide et dur, mais il y a de la souplesse dans le cou. Toutes ces différentes qualités sur une même pièce avec la même imprimante.

Imaginez un char blindé où vous imprimez une paroi souple et une lame d’air pendant que vous multiplexez ou mélangez différents matériaux sur le dessus comme les couches d’un gâteau. Vous pourriez générer de nouvelles configurations de blindage réactif ou de matériaux sandwich. Certains gilets pare-balles aspirent contre les couteaux car ils sont faits pour dissiper l’impact des balles et non pour arrêter la coupure tranchante d’une lame. Si vous preniez du Dyneema ou un autre Kevlar et le rendiez imprimable pour permettre des structures de gradient, vous pourriez y remédier dans la même étape de production.

Une grande partie de la recherche sur l’impression 3D dans le cadre du défi du casque de la NFL est basée sur la création de structures capables d’arrêter les impacts rapides et tranchants et les impacts plus importants et contondants. Avec des structures en gradient, nous pouvons réaliser des exploits similaires, non seulement pour les équipements de sécurité, mais aussi pour bien d’autres choses. Des couches absorbantes ou des matériaux flexibles pour l’industrie. Ou imaginez votre tableau de bord, qui pourrait être dur, rigide et lisse, mais conçu pour fléchir lors d’un impact. Ou encore, pensez à l’isolation acoustique ou à la réduction des vibrations et déjà de nombreuses applications peuvent apparaître. Les MGF sont passionnantes et de nombreuses recherches sont en cours.

L’empreinte Aerosint, combine un alliage de cuivre et d’acier. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’Aerosint.

Les gens fabriquent des verres à gradation fonctionnelle sur des systèmes à lit de poudre qui se mélangent au fur et à mesure de l’impression. D’autres essaient d’imiter les fonctionnalités naturelles en fabriquant des composites à gradient et ils ne sont pas les seuls. Certains papiers semblent révolutionnaires en eux-mêmes, avec cette équipe de l’ETH qui étudie les matériaux à gradient avec une résolution sub-micrométrique. Fabrisonic, Formalloy, MELD, GE, DMG Mori, Sciaky, Aerosint et Optomec ne sont que quelques-uns des fournisseurs de machines sur l’équipement desquelles ces matériaux à gradient sont fabriqués. Vous pouvez même imprimer avec des matériaux à gradient en utilisant le traitement numérique de la lumière.

Applications des composites imprimés au g-DLP pour les composants SMP séquentiels et l’impression 4D. Crédit photo : Xiao Kuang, Georgia Tech

Alors, qu’est-ce qui freine le développement des matériaux à gradient ? Un jour, en parlant avec John Barnes, il a déploré qu’il était déjà si difficile de mettre au point des pièces statiques et que les pièces à gradient seraient très difficiles à qualifier et à contrôler.

En effet, le contrôle de la qualité serait difficile pour une telle partie. Comment pourriez-vous surveiller ou vérifier la dureté Shore d’une pièce à plusieurs duretés ? Quel serait même le test ? Comment pouvez-vous vérifier qu’une telle chose peut fonctionner pendant 10 ans ? A quoi ressemblerait la simulation ? Comment tester la sécurité d’une telle chose ? Quelle est la résistance à la fatigue d’une chose si elle a des propriétés de fatigue différentes ? Ou comment découvrir que cette pièce peut en fait avoir une température de service continu plus basse que le matériau dont elle est faite ? Comment pouvez-vous vérifier que la bonne propriété est fabriquée ? Ensuite, nous avons un autre problème : comment concevoir ces pièces ? Comment le faire en CAO ? Le 3MF pourrait prendre en charge la conception d’une pièce à gradient, mais comment concevoir cette pièce exactement ?

Exemple d’une pièce de MGF réalisée à l’aide de DED par Irepa Laser

Nous avons assez de mal à apprendre à tout le monde à penser en termes de conception pour la fabrication d’additifs (DfAM), mais comment penser en termes de gradients ? Quand pouvons-nous même déterminer que cela aurait un sens ? Une chaussure imprimée en 3D en dégradé semble être une idée spectaculaire, mais elle serait peut-être beaucoup plus coûteuse qu’une chaussure classique. En même temps, un Croc est déjà une chaussure faite d’un seul matériau et serait beaucoup moins chère que notre variante imprimée.

Si l’excitation est réelle en ce qui concerne les MGF, nous nous trouvons dans une impasse. Si nous ne comprenons pas les implications de quelque chose, ne savons pas comment le concevoir et ne pouvons pas concevoir ses utilisations, nous pouvons être enthousiastes, mais rien de plus vraiment. Ce serait comme regarder l’approche de l’âge du nucléaire ou de la vapeur en réalisant qu’on va soit rêver trop peu, soit rêver trop. D’une part, vous n’irez pas plus vite que « des trains plus rapides, je suppose », mais d’autre part, vous penserez à des sèche-cheveux et des machines à laver à énergie nucléaire.

Donc, si nous voulons mettre en place une technologie habilitante, que faisons-nous ? Nous devons créer un exemple qui soit parfaitement clair, concis et qui montre bien les mérites de cette technologie. Le support GE est mon exemple préféré. Il présente notre langage de conception optimisé par une topologie de type Geiger. Il illustre le fait que notre technologie peut avoir de larges applications et montre clairement qu’elle peut faire gagner du poids, ce qui est clairement important. Pour présenter les MGF, nous avons besoin d’un tel exemple. Donc, un objet généralement démontrable, reconnaissable, utile, qui est amélioré spécifiquement en étant une partie de gradient. Des idées sur ce que cela devrait être ? Parce que ce qui semble retenir cette génération de matériaux, c’est le manque de compréhension et d’inspiration suffisante, et non la technologie.

L’impression 3D de matériaux classés fonctionnellement obtient un F. Elle est apparue pour la première fois sur 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing.