Comment la science des matériaux fait progresser l'avenir de la fabrication

Discipline intersectorielle indispensable pour faire progresser la conception et la fabrication de produits, la science des matériaux est un domaine défini par l'innovation et la pensée créative.

Il se concentre sur le comportement des matériaux à tous les niveaux, y compris la façon dont les microstructures et l'arrangement des atomes et des molécules individuels peuvent influencer de manière significative le comportement d'un matériau - et comment une structure peut être manipulée pour influencer les performances souhaitées.

Située à l'intersection de l'ingénierie, de la physique et de la chimie, la science des matériaux est une considération primordiale dans le développement de nouveaux produits, qui se traduisent souvent par des propriétés sophistiquées et uniques.

La science des matériaux approfondit les relations entre les connaissances physiques et chimiques et la manière dont différents matériaux - allant des métaux et des polymères aux composites et aux nanomatériaux - peuvent être conçus pour obtenir de meilleures performances.

Cela peut inclure des avantages commercialement bénéfiques tels que des processus de production plus efficaces, l'allongement de la durée de vie d'une pièce et une maintenance réduite à des avantages sociétaux plus fondamentaux tels que de meilleurs résultats en matière de soins de santé et une plus grande durabilité énergétique et environnementale pour permettre l'excellence sportive et la technologie aérospatiale.

Influencer la microstructure d'un matériau peut conduire à des comportements remarquables - y compris la flexibilité d'un matériau - jusqu'à quel point le matériau peut être étiré ou plié.

Il peut également avoir un impact sur la dureté d'un matériau, le rendant plus résistant à la corrosion ou sur sa capacité à conduire l'électricité ou la chaleur.

Un exemple parfait, dont nous parlerons plus tard, est celui des alliages à mémoire de forme - ou des métaux qui peuvent être pliés et ramenés à leur forme d'origine en appliquant de la chaleur.

Autrefois destinée principalement au prototypage, la fabrication additive est de plus en plus utilisée dans le développement de pièces de rechange, la production de petites séries et l'outillage dans les industries manufacturières avant-gardistes telles que l'aérospatiale, l'électronique, l'automobile et les dispositifs médicaux.

Parmi les industries à la pointe de la fabrication innovante, le secteur médical est devenu un segment majeur qui stimule la croissance de la fabrication additive.

En fusionnant des poudres métalliques couche par couche, en utilisant différentes techniques de frittage ou à base de laser, la fabrication additive peut créer des composants complexes qui seraient généralement très difficiles, voire impossibles, avec des méthodes de fabrication soustractives plus traditionnelles.

Les avantages de la fabrication additive incluent une plus grande liberté de conception et de personnalisation, une résistance et une fonctionnalité améliorées du produit, un temps d'assemblage réduit pour les composants complexes, une production localisée, un délai de mise sur le marché rapide, une atténuation du gaspillage, une obsolescence réduite, une moindre dépendance aux fournisseurs traditionnels et même la création de nouveaux matériaux avec des propriétés mécaniques et comportementales uniques.

La plupart des pièces fabriquées par fabrication additive sont fabriquées à partir d'alliages - à la fois conventionnels et nouveaux. Cependant, très peu de pièces en alliage sont produites de cette manière qui ont la même qualité ou conservent les mêmes propriétés mécaniques offertes par des alliages similaires lorsqu'ils sont fabriqués via un procédé conventionnel tel que le forgeage.

Leur comportement ne réagit pas de la même manière, en grande partie en raison de la fusion et de la solidification rapides qu'ils subissent dans le processus de fabrication additive.

Alors que l'industrie de la fabrication additive a été confrontée au défi de conserver ou même d'améliorer les caractéristiques des alliages métalliques, elle s'est tournée vers la science et l'ingénierie des matériaux pour permettre le développement de pièces en alliage aux propriétés mécaniques supérieures.

Découvert il y a plus de 50 ans, le nitinol (NiTi) est un alliage métallique particulièrement précieux qui a révolutionné de nombreuses industries.

Composé à 50% de nickel atomique et à 50% de titane atomique, il possède des propriétés uniques, permettant sa superélasticité et son "effet mémoire de forme", c'est-à-dire qu'il peut changer de forme en fonction de la température. Ce comportement particulier voit maintenant le nitinol de plus en plus utilisé dans les industries médicales, dentaires et aérospatiales.

Le nitinol est un excellent matériau pour créer des composants pour des dispositifs médicaux peu invasifs, tels que des fils de guidage, des cathéters et des stents. Lorsque les professionnels de la santé doivent naviguer dans des zones particulièrement étroites, le nitinol a à la fois la flexibilité de changer de forme selon les besoins et la durabilité pour supporter de fortes contraintes.

Les stents utilisés pour maintenir les artères ouvertes sont peut-être l'exemple le plus clair de la raison pour laquelle la superélasticité et l'effet de mémoire de forme du nitinol sont si bénéfiques. Lorsque les stents sont insérés dans le corps, ils peuvent être compressés jusqu'à une taille minuscule pour être utilisés dans des procédures peu invasives.

Cependant, lorsqu'ils sont placés au bon endroit dans l'artère, ils se dilatent pour remplir l'espace nécessaire et renforcer la paroi artérielle intérieure, une procédure qui ne pourrait pas être réalisée avec de l'acier inoxydable.

Dans les procédures orthopédiques, les chirurgiens ont besoin de composants qui aideront les patients à retrouver flexibilité et amplitude de mouvement et à s'adapter facilement aux tissus de chaque patient. Le nitinol est le matériau préféré pour ces composants, car il imite le comportement mécanique de l'os.

Les orthodontistes ont également besoin de fils et de supports qui maintiennent les accolades ensemble et remplissent la fonction de déplacement des dents, de sorte que la mémoire de forme du nitinol est particulièrement utile dans l'impression des applications de nitinol.

Malgré tous ses avantages, le développement de composants en nitinol peut présenter des défis. L'alliage peut être difficile à usiner, de sorte que la conception des produits a généralement été limitée à des structures simples.

Ces difficultés comprennent une ténacité élevée, une ductilité élevée et un écrouissage dans les processus de coupe. Ainsi, l'usinage traditionnel entraîne une usure excessive de l'outil, des forces de coupe élevées et une dégradation de la surface, aboutissant souvent à une pièce de faible qualité avec une rupture de copeaux et une formation de bavures inférieures.

Et bien que la fabrication additive puisse offrir une efficacité de production améliorée et une plus grande liberté de conception, il reste encore des problèmes à surmonter lors de l'impression avec du nitinol.

La vaporisation du nickel lors du processus de fabrication additive peut diminuer le rapport nickel/titane, augmentant ainsi la température de transformation. De plus, l'absorption d'oxygène à l'intérieur du matériau peut également affecter la température de transformation, avoir un impact négatif sur la mémoire de forme et affecter les performances globales de l'application prévue.

C'est ici qu'une connaissance approfondie de la science des matériaux a conduit les ingénieurs à comprendre l'impact de l'atmosphère de la chambre d'impression sur la pièce imprimée et pourquoi les conditions atmosphériques doivent être optimales.

Bien que l'atmosphère dans la chambre soit purgée avec de l'argon de haute pureté pour la débarrasser de l'oxygène, des impuretés restent présentes en raison d'une purge incomplète et de petites fuites.

Même des variations extrêmement faibles de la teneur en oxygène peuvent altérer les propriétés mécaniques ou chimiques des métaux et alliages sensibles à l'oxygène - y compris le nitinol - et peuvent affecter la composition du produit final, entraînant des caractéristiques physiques négatives telles qu'une décoloration et même une faible résistance à la fatigue. En règle générale, après la purge, le niveau d'oxygène résiduel est d'environ 1 000 ppm, loin de l'idéal de moins de 10 ppm.

Les scientifiques et ingénieurs des matériaux de Linde ont consacré ces dernières années au développement d'une technologie pionnière pour surmonter ces impuretés atmosphériques afin d'offrir aux fabricants des conditions d'impression optimales.

Le résultat - la précision ADDvance® O2 - fournit une analyse continue de l'atmosphère gazeuse, détectant les niveaux d'oxygène avec une grande précision sans sensibilité croisée. Reconnaissant des concentrations d'O2 aussi faibles que dix parties par million (ppm), l'unité lance automatiquement un processus de purge pour maintenir l'atmosphère aussi pure que nécessaire.

Pour l'impression de composants en nitinol, il est essentiel de maintenir un niveau d'O2 bas et constant. Si cela n'est pas atteint, le matériau peut s'oxyder, soit à cause d'un niveau d'O2 trop élevé, soit à cause de propriétés mécaniques variables d'une pièce à l'autre.

L'expertise en science des matériaux a également conduit au développement de mélanges de gaz uniques et sur mesure, tels que ADDvance Laser230, développés spécifiquement pour optimiser les résultats d'impression. Testé avec succès sur une gamme d'alliages, y compris l'aluminium à haute résistance AISi10MG, les superalliages à base de nickel, le titane, le nitinol et l'acier inoxydable, il associe l'argon à l'hélium pour réduire la redéposition des particules jusqu'à 30 % et la perte de poudre jusqu'à 20 %.

Il permet également d'économiser sur le temps de maintenance, avec moins de changements de filtres nécessaires. De plus, il atténue la formation de fumée et accélère les temps d'impression, ce qui rend le processus d'impression plus sûr et réduit le coût par pièce. Il est indépendant des alliages et idéal pour la fabrication additive de structures en treillis.

Avec de telles avancées dans les technologies de fabrication additive, le nitinol permettra non seulement de rendre les futures procédures médicales moins invasives, mais il ouvrira également des possibilités de fabrication de produits et de composants de pointe qui étaient auparavant hors de portée.

Alors que la science des matériaux existe à différents niveaux de sophistication depuis des générations, elle peut maintenant être la discipline la plus importante pour notre avenir. Pour la plupart des défis majeurs auxquels nous sommes confrontés, les matériaux sous une forme ou une autre sont susceptibles d'être au cœur de la solution.

Qu'il s'agisse de construire un avenir énergétique propre ou de permettre des interventions chirurgicales prolongées auparavant inconcevables, la science des matériaux propulse l'innovation manufacturière vers l'avant.

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