1. Propriétés et restrictions des matériaux
Bien que les alliages d'aluminium soient plutôt populaires mais posent de nombreuses difficultés dans le processus d'impression 3D, les matériaux généralement utilisés dans l'impression 3D métallique sont les alliages de titane, les alliages haute température et les alliages de cuivre. La faible absorption laser et la grande conductivité thermique de l'alliage d'aluminium entraînent une perte d'énergie notable et une faible efficacité de formage. Les alliages d'aluminium sont également sujets à la déformation et à l'accumulation de contraintes lors du dépôt laser ; par conséquent, d’autres mesures préventives doivent être prises pour arrêter la fissuration des pièces.
Difficile à enlever et influence la qualité des composants, l'alliage d'aluminium est également susceptible de réagir avec l'oxygène lors du dépôt direct au laser pour former Al ₂ O ∙ à point de fusion élevé. Les éléments d'alliage à faible point d'ébullition (comme le Zn et le Si) dans les alliages d'aluminium ont tendance à brûler lors du dépôt laser, ce qui modifie la composition de l'alliage et influence ainsi la microstructure et les caractéristiques des composants. Les limites de ces qualités de matériaux restreignent l’utilisation d’alliages d’aluminium dans l’impression 3D de pièces de vaisseaux spatiaux.
2. Inconvénients des méthodologies de fabrication
De plus, l’impression 3D métal elle-même s’accompagne de certaines restrictions dans le processus de fabrication. L'une des technologies d'impression 3D métal les plus souvent utilisées, par exemple, la technologie de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), a une efficacité de production assez faible, en particulier dans les opérations de post-traitement impliquant des pièces géométriques complexes. Lors de l'usinage CNC, plus il est difficile d'identifier et de serrer, plus la forme géométrique de la pièce est compliquée, augmentant ainsi les coûts et le temps de fabrication.
En outre, le processus d'impression 3D métallique produit de la fumée et des éclaboussures, qui peuvent influencer la réutilisation de la poudre et augmenter les coûts de production. Les performances et la qualité des produits finis sont fortement influencées par les actions post-traitement, notamment l'élimination des particules, le traitement thermique, l'usinage et le polissage de surface. En particulier pour les composants structurels complexes créés par la fusion d'un lit de poudre, les techniques de retrait du support de processus sont peu nombreuses et des pinces sont couramment utilisées pour le retrait, ce qui augmente le risque de déformation et d'endommagement des pièces et complique la garantie de la cohérence de la qualité.
3. Consignes et difficultés pour la performance physique
Une faible densité, un module élastique élevé, une résistance élevée et une grande ténacité définissent des normes de performances physiques très élevées pour les composants des engins spatiaux. Ces critères limitent le choix du matériau d’impression 3D métallique et l’approche de conception. Par exemple, bien que l’alliage d’aluminium ait une faible densité, les restrictions physiques lors de son processus d’impression 3D rendent difficile la satisfaction des critères de haute résistance et de grande ténacité.
En outre, le fonctionnement à long terme des composants d’engins spatiaux en orbite nécessite des conditions environnementales robustes, notamment des températures élevées, basses, du vide et des rayonnements. Ces éléments environnementaux imposent des attentes assez élevées en matière de stabilité matérielle. Des changements dans la microstructure et la composition des phases du matériau peuvent résulter de l’impression 3D métallique, influençant ainsi sa stabilité et sa fiabilité à long terme.
4. Préoccupations en matière de certification technique et degré de maturité
Bien que la technologie d’impression 3D métallique offre de larges possibilités d’utilisation dans la conception de composants d’engins spatiaux, son développement technologique doit encore être amélioré. Le manque de certification rend l’adoption de nombreux alliages de fabrication additive difficile à adopter par le secteur aérospatial. La procédure de certification présente des défis pour l'avancement et l'utilisation des nouvelles technologies car elle nécessite du temps et de nombreuses données expérimentales à l'appui.
Parallèlement, le choix de la technique d’impression 3D métal est une tâche difficile. Les éléments de conception, les intrants du processus, les restrictions du processus, les préoccupations métallurgiques et géométriques, entre autres facteurs, doivent tous être pris en compte. Ces éléments interagissent pour compliquer et remettre en question le choix du processus.
5. Orientation du développement futur
Bien que l’impression 3D métal présente plusieurs contraintes physiques, ses possibilités d’application dans la conception de composants d’engins spatiaux sont encore assez larges. Les éléments suivants pourraient faire partie de l’orientation future du développement :
Développement de nouveaux matériaux : créez de nouveaux matériaux mieux adaptés à l'impression 3D, notamment des alliages de titane, des alliages haute température et des alliages d'aluminium haute performance. Les excellentes qualités physiques et de transformation de ces nouveaux matériaux devraient contribuer à satisfaire les besoins rigoureux des composants des vaisseaux spatiaux.
Amélioration des processus : l'amélioration des techniques d'impression 3D actuelles contribuera à améliorer la qualité des composants et l'efficacité de la fabrication. Par exemple, l'efficacité du formage et les performances des pièces peuvent être améliorées en maximisant les paramètres laser, les propriétés de la poudre et les techniques de post-traitement.
La certification technique consiste à établir un système et des normes de certification complets, renforçant ainsi les efforts de certification pour la technologie d'impression 3D métallique. Cela soutiendra la mise en œuvre et la diffusion de nouvelles technologies dans le secteur aérospatial.
Renforcer la coopération multidisciplinaire dans des domaines tels que la science des matériaux, le génie mécanique et l'informatique pour répondre de manière collaborative aux contraintes physiques et aux obstacles technologiques de l'impression 3D métallique dans la conception de composants d'engins spatiaux.
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