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Les pièces en céramique résistantes à la chaleur sont désormais imprimables en 3D
La promesse de la fabrication additive ou de l'impression 3D - fabrication plus rapide et moins chère de pièces plus personnalisables - est limitée par la palette de matériaux imprimables, qui comprenait jusqu'à présent principalement des polymères et certains métaux. Nous pouvons maintenant ajouter la céramique, une classe importante de matériaux dont la résistance élevée et la résistance à la chaleur, à la dégradation chimique et au frottement les rendent attrayants pour une utilisation dans les industries militaires et aérospatiales pour tout, des pièces d'avion extérieures aux petits composants de fusées.
Une roue en céramique à l'échelle millimétrique, un composant mécanique rotatif utilisé pour transmettre le mouvement d'un fluide dans les pompes et les turbines.
Grâce à une astuce de science des matériaux démontré par des chercheurs de Laboratoires HRL , les ingénieurs peuvent désormais utiliser la fabrication additive pour créer rapidement des pièces céramiques personnalisées et complexes qui tirent parti de toutes ces propriétés attrayantes à la fois.
Il est difficile de transformer la céramique en pièces durables, en particulier celles aux formes complexes. Les matériaux ne sont pas compatibles avec les techniques de fabrication conventionnelles telles que l'usinage et le moulage, et la méthode typique consiste à utiliser la chaleur pour consolider la poudre et créer des formes solides. Cette approche, qui peut également être utilisée dans la fabrication additive, n'est cependant pas très fiable et introduit fréquemment des défauts pouvant entraîner des fissures et des fractures.
Un tire-bouchon en céramique, d'un peu plus de 20 micromètres de long, illustre la résolution fine possible grâce à l'impression 3D par stéréolithographie.
Les chercheurs de HRL Labs ont contourné ce problème en développant une nouvelle résine imprimable composée de polymères dits précéramiques, qui peuvent être convertis en céramique en les chauffant à haute température. Ils ont démontré que la nouvelle résine est compatible avec une technique de fabrication additive populaire appelée stéréolithographie, dans laquelle un faisceau laser est utilisé pour construire des structures couche par couche à partir d'un polymère liquide. Les chercheurs ont également montré qu'il fonctionne avec une technique spécialisée qui utilise la lumière ultraviolette et des masques à motifs pour construire des structures 3D complexes comme des treillis, 100 à 1 000 fois plus rapidement que la stéréolithographie conventionnelle. Après l'impression, les chercheurs ont chauffé les pièces pour les transformer en céramique et ont démontré leurs propriétés mécaniques impressionnantes.
Un treillis en céramique incurvé illustre la capacité de produire des structures complexes dans des formes non conventionnelles.
Deux classes de pièces en céramique utiles - de grandes structures en treillis très légères qui pourraient être utilisées dans des panneaux résistants à la chaleur et d'autres pièces extérieures pour avions et engins spatiaux, et de petites pièces complexes à utiliser dans des systèmes électromécaniques ou dans des composants de moteurs à réaction et de fusées - sont désormais imprimables grâce à la nouvelle approche, déclare Tobias Schaedler, scientifique principal de HRL Labs, qui a dirigé la recherche.
Un bord d'attaque imprimé en 3D, ou la partie d'une aile d'avion ou de vaisseau spatial qui entre en premier contact avec l'air. Les faces de la pièce prennent en sandwich une structure en treillis.
Schaedler dit que le groupe bénéficie désormais d'un financement de la DARPA, qui a également soutenu cette recherche, pour utiliser la nouvelle technique pour développer une coque en céramique, essentiellement un bouclier qui protège les engins spatiaux ou les avions hypersoniques de la chaleur, de la pression et des débris. Les mousses céramiques sont attrayantes pour cette application en raison de leurs propriétés thermiques, mais leurs mauvaises propriétés mécaniques les rendent largement inadaptées à une utilisation dans des structures porteuses, explique Stefanie Tompkins, directrice du bureau des sciences de la défense de la DARPA. Les structures en treillis de céramique créées par HRL Labs sont 10 fois plus résistantes que les mousses disponibles dans le commerce.