De la fabrication soustractive traditionnelle à la fabrication additive émergente, différentes méthodes de fabrication et de traitement des métaux ont un impact significatif sur la structure du matériau et les propriétés mécaniques du produit final. L'influence des méthodes de fabrication traditionnelles sur les propriétés mécaniques des métaux est largement reconnue, mais la relation entre les procédés de fabrication additive et les caractéristiques des produits est assez complexe et constitue un sujet important dans le domaine de la recherche.
Parmi les nombreuses études, l'impact de l'interruption du processus d'impression 3D sur la microstructure et les propriétés des pièces métalliques fabriquées de manière additive est un sujet de niche. Les processus de fabrication additive reposent sur l'impression continue du matériau couche par couche, avec des exigences strictes en matière de fusion et de solidification. Lorsque le processus d'impression est interrompu, la thermodynamique qui contrôle la force de liaison et la génération de défauts dans la couche est perturbée. Les interruptions des processus de fabrication additive devraient affecter la liaison intercouche, compromettant le développement d'une microstructure uniforme et des propriétés mécaniques des pièces métalliques.
Même sans tenir compte des interruptions de processus, il existe une marge d'amélioration évidente dans la fabrication additive métallique en termes de précision dimensionnelle et de propriétés des matériaux. Lors de l'impression 3D, la cinétique de solidification et la liaison intercouche déterminent la structure du grain et les propriétés mécaniques de la pièce, qui sont régies par les gradients thermiques, les vitesses de refroidissement et les cycles thermiques. Bien que le processus de fusion pour l'impression 3D soit difficile à contrôler, ces facteurs peuvent être optimisés grâce à un dépôt et un contrôle thermique continus et ininterrompus.
Cependant, pendant la production d'impression 3D, des interruptions de processus peuvent survenir en raison de la nécessité éventuelle d'intégrer des éléments de surveillance (tels que des capteurs, des actionneurs et des dispositifs de récupération d'énergie), de réapprovisionner les matériaux, de modifier les calendriers de production, etc. De plus, des interruptions de processus peuvent également se produire. en raison de pannes de courant et de pannes de machines. Lorsque le processus d'impression est interrompu, la pièce imprimée se refroidit progressivement, entraînant l'apparition de défauts et de microstructures inhomogènes dues aux interruptions du cycle thermique et aux gradients thermiques irréguliers. Par conséquent, les propriétés mécaniques du produit final sont compromises. Les défauts possibles comprennent le manque de fusion, l'effondrement du trou de serrure, la porosité, la fissuration de solidification, la fissuration à l'état solide, une faible force de liaison interlaminaire/surface, un déliantage incomplet du liant, etc.
L'impact des interruptions de processus sur les performances globales des pièces d'impression 3D
Pour la plupart des processus d'impression 3D en métal, les interruptions de processus apparaissent avec une couleur visible au niveau des joints, appelés "marques de processus". Dans les zones interrompues des échantillons étudiés, les changements de couleur dus aux effets thermiques et aux défauts de la pièce sont présents. Des défauts visibles peuvent persister le long des lignes d'interruption du processus et devraient avoir un impact négatif sur les propriétés mécaniques des échantillons. Pour examiner plus en détail les échantillons et les échantillons tranchés, des expériences NDT ont été réalisées pour évaluer davantage les changements potentiels dans la structure du matériau et les propriétés mécaniques avant et après l'interruption du processus.
Des chercheurs de l'Université de Jordanie ont étudié les interruptions de processus lors de la fabrication additive par fil d'arc. Ils ont pris des pièces de 130 × 17 × 150 mm comme objet de recherche et ont utilisé du Ti-6Al-4V pour l'impression. Après 8 heures et le moulage, la hauteur a atteint 120 mm, l'impression a été interrompue et le processus d'impression a repris après que le temps mort ait duré 6 heures. Pendant ce temps, la pièce moulée refroidit à température ambiante.
Les échantillons imprimés par les chercheurs peuvent être découpés pour analyse
Des variations dans l'histoire thermique de la pièce peuvent avoir affecté la formation de la structure du grain. La principale différence entre la microstructure dans les régions de processus de fabrication normales et interrompues est la taille des grains. Alors que la granulométrie des échantillons est assez uniforme dans des conditions normales de traitement, les échantillons provenant de la région où le processus a été interrompu avaient des granulométries non uniformes. Les différences de texture et de taille de grain dans les régions de processus normal et de processus interrompu ont été les principaux résultats de l'évaluation microscopique. De plus, en raison de l'interaction des conditions des couches précédemment déposées et de l'interaction du nouveau processus de dépôt, les conditions de solidification (telles que la forme du bain de soudure et le taux de croissance), les gradients thermiques et les taux de refroidissement peuvent avoir changé, et le mécanisme de génération de défauts sera également affecté.
Défauts visibles sur les lignes d'interruption de processus
Les tests par spectroscopie ultrasonore résonnante ont révélé des changements importants dans l'intégrité de la pièce ; les tests des propriétés nanomécaniques ont révélé une réduction des valeurs de module de Young et de dureté dans les zones où le processus a été interrompu ; La tomodensitométrie à rayons X a révélé le nombre de défauts contenus dans les zones interrompues de plus en plus grandes en taille que les autres régions ; une atténuation significative du signal et une rétrodiffusion sont indiquées dans le signal ultrasonore.
Image CT de la zone où le processus a été interrompu
Les tests des propriétés du matériau ont conclu que l'interruption du processus avait un impact significatif sur le matériau principal et les propriétés mécaniques de la pièce. La structure du grain, la texture et les niveaux de défauts des échantillons fabriqués au niveau ou après la zone interrompue semblaient être différents des échantillons qui n'avaient subi aucune interruption de processus ou qui avaient été imprimés auparavant. En particulier, la résistance et l'intégrité de la pièce sont moindres dans la zone interrompue ; et la taille et la distribution des défauts dans la région interrompue sont beaucoup plus élevées.
Les interruptions de processus inspirent la remise à neuf et la réparation de l'impression 3D
Étant donné qu'il a été démontré que la taille et la distribution des défauts tels que les fissures et la porosité modifient considérablement l'intégrité structurelle et les propriétés des matériaux des pièces fabriquées de manière additive, la zone de perturbation peut être une zone critique qui affecte la sécurité de la structure globale. Ceci est particulièrement important lorsque l'on envisage une sorte d'interruption de processus, en particulier un processus de remise à neuf ou une réparation utilisant la fabrication additive.
Pour cette raison, lorsque ces composants sont utilisés comme composants critiques dans des applications aérospatiales, médicales et de transport, le processus d'assurance qualité de ces composants peut être soumis à des tests de qualité plus stricts et à des tests non destructifs. La gravité et la distribution des défauts dans les régions d'interruption de processus peuvent être réduites par certains processus pré- et post-fabrication. Le préchauffage de la pièce à température de fabrication avant de redémarrer le processus après une interruption réduit les effets des chocs thermiques et des contraintes, et réduit le développement de défauts et de fissures. En termes de post-traitement, plusieurs remèdes tels que les processus de traitement thermique ou le pressage isostatique à chaud (HIP) peuvent aider à améliorer l'intégrité et les performances de la pièce. Ces considérations proposées doivent être étudiées dans des études futures afin de déterminer l'adéquation exacte et l'impact sur la qualité de l'assemblage final.