Une avancée majeure dans l’impression 3D : le matériau bimétallique

Inspirés par la complexité structurelle des arbres et des os, les ingénieurs de l’Université d’État de Washington ont mis au point une méthode pour imprimer en 3D deux types d’acier dans une même couche circulaire à l’aide de deux machines à souder. Le matériau bimétallique obtenu s’est avéré être de 33% à 42% plus résistant que chaque métal pris individuellement, grâce en partie à la pression générée entre les métaux lors de leur refroidissement conjoint.

Cette nouvelle méthode utilise des outils courants et relativement bon marché, ce qui permettrait aux fabricants et aux ateliers de réparation de l’adopter à court terme. Avec un développement ultérieur, elle pourrait potentiellement servir à la fabrication de prothèses médicales haute performance ou même de pièces pour les voyages spatiaux, selon Amit Bandyopadhyay, auteur principal de l’étude publiée dans la revue Nature Communications.

« Dans la mesure où tout endroit qui effectue un type de soudure peut maintenant élargir ses concepts de design ou trouver des applications où il peut combiner presque simultanément un matériau très dur et un matériau souple« , a déclaré Bandyopadhyay, professeur à l’Ecole de Génie Mécanique et des Matériaux de WSU.

L’inspiration de la nature

L’équipe de recherche s’est inspirée de la nature, observant que les arbres et les os tirent leur force de la manière dont les anneaux superposés de différents matériaux interagissent entre eux. Pour imiter cela avec des métaux, les chercheurs de WSU ont utilisé un équipement de soudage couramment présent dans les ateliers automobiles et mécaniques, intégré à l’intérieur d’une machine à commande numérique ou CNC. Ce nouveau dispositif hybride crée des pièces à l’aide d’une programmation informatique précise et de deux têtes de soudage.

Dans une démonstration, les deux têtes de soudage ont travaillé l’une après l’autre sur une couche circulaire pour imprimer deux métaux, chacun avec des avantages spécifiques. Un noyau d’acier inoxydable résistant à la corrosion a été créé à l’intérieur d’un boîtier externe en acier doux moins cher, comme celui utilisé dans les ponts ou les chemins de fer. Comme les métaux se contractent à des taux différents lorsqu’ils refroidissent, une pression interne a été créée – serrant essentiellement les métaux ensemble. Les tests sur le produit final ont montré une résistance supérieure à celle de l’acier inoxydable ou de l’acier doux pris séparément.

Révolution dans l’impression 3D

Actuellement, l’impression 3D avec plusieurs métaux dans un dispositif de soudage nécessite d’arrêter et de changer les fils métalliques. La nouvelle méthode élimine cette pause et insère deux métaux ou plus dans la même couche pendant que les métaux sont encore chauds.

« Cette méthode dépose les métaux en cercle au lieu de simplement en ligne. En faisant cela, elle se distingue fondamentalement de ce qui a été possible jusqu’à présent« , a déclaré Lile Squires, doctorant en ingénierie mécanique à WSU et premier auteur de l’étude. « En allant en cercle, un matériau peut essentiellement enlacer l’autre, ce qui ne peut pas se produire lors de l’impression en ligne droite ou en couches superposées.« 

La possibilité de renforcer les pièces en métal imprimées en 3D couche par couche pourrait offrir de nouvelles options aux ateliers automobiles dans un avenir proche, avec la capacité de créer rapidement des pièces en acier solides et personnalisées. Des axes de torsion bimétalliques résistants au couple, par exemple, ou des disques de frein haute performance et économiques pourraient être développés.

Vers un avenir plein de promesses

À l’avenir, les chercheurs voient le potentiel pour des processus de fabrication médicale qui impriment des remplacements d’articulations avec du titane durable à l’extérieur et un matériau interne tel que l’acier magnétique aux propriétés curatives. De même, les structures dans l’espace pourraient avoir un matériau résistant à haute température entourant un matériau interne aux propriétés de refroidissement pour aider la structure à maintenir une température constante.

Ce concept a les deux soudeurs qui impriment, donc nous pouvons utiliser plusieurs matériaux dans la même couche elle-même, créant des avantages lorsqu’ils se combinent », a déclaré Bandyopadhyay. « Et cela ne doit pas s’arrêter à seulement deux matériaux. Cela peut être étendu. »

Les chercheurs et WSU ont déposé une demande de brevet provisoire pour ce développement. En plus de Bandyopadhyay et Squires, l’équipe de recherche comprend l’auteur secondaire Ethan Roberts, un étudiant de premier cycle en ingénierie mécanique à WSU. Cette recherche a reçu le soutien de la National Science Foundation.

En synthèse

L’impression 3D de métaux a connu une évolution notable grâce à cette nouvelle approche mise en œuvre par les ingénieurs de l’Université d’État de Washington. Cette méthode, s’inspirant de la nature et exploitant des outils couramment disponibles, permet l’impression simultanée de deux métaux distincts dans une même couche circulaire. Le résultat, un matériau bimétallique, offre une résistance supérieure à celle de chaque métal utilisé séparément, ce qui ouvre la voie à des applications prometteuses, de l’industrie automobile aux voyages spatiaux, en passant par les implants médicaux.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que cette nouvelle méthode d’impression 3D ?

Il s’agit d’une technique qui permet d’imprimer deux types d’acier dans une même couche circulaire en utilisant deux machines à souder. Elle se distingue par le matériau bimétallique produit, qui est plus résistant que chaque métal pris individuellement.

Quels sont les avantages potentiels de cette méthode ?

La nouvelle méthode pourrait avoir de larges applications dans divers secteurs. En plus de sa capacité à créer des pièces en acier fortes et personnalisées pour l’industrie automobile, elle pourrait servir à la fabrication de prothèses médicales haute performance et même de pièces pour les voyages spatiaux.

Cette technique est-elle prête pour une utilisation commerciale ?

Alors que cette technique d’impression 3D offre des perspectives prometteuses, elle nécessite encore un développement ultérieur avant une éventuelle utilisation commerciale. Les chercheurs continuent d’explorer ses capacités et d’optimiser le processus.

Comment cette méthode s’inspire-t-elle de la nature ?

Les chercheurs ont observé que les arbres et les os tirent leur force de la façon dont les anneaux superposés de différents matériaux interagissent entre eux. En imitant cela avec des métaux, ils ont réussi à créer un matériau bimétallique résistant.