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Une nouvelle technique d'impression 3D permet de fabriquer des pièces en céramique
Une nouvelle façon de fabriquer ces matériaux résistants pourrait être une étape clé dans la production de meilleurs moteurs d'avion et de pièces de machines durables. 19 avril 2016
La céramique fait partie des matériaux les plus durs sur Terre. Ils peuvent résister à des températures extrêmes et certains sont insensibles aux frottements, rayures et autres contraintes mécaniques qui usent le métal et le plastique. Mais il peut être difficile de créer des formes complexes à partir des matériaux.
L'ingénieur chimiste Zak Eckel et le chef de groupe Tobias Schaedler.
Les chimistes des laboratoires HRL à Malibu, en Californie, ont peut-être contourné ce problème en développant des céramiques pouvant être fabriquées dans une imprimante 3D. Le résultat : des objets ultrarésistants impossibles à fabriquer avec les méthodes conventionnelles.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2016
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La céramique est aujourd'hui utilisée dans les plaquettes de frein, le boîtier de la microélectronique et les tuiles de protection thermique (comme celles des engins spatiaux). Maintenant, les scientifiques de HRL essaient d'étendre considérablement les applications. Si les pièces des moteurs d'avions étaient en céramique, par exemple, les moteurs pourraient fonctionner à une température plus élevée, ce qui augmenterait leur efficacité.
La céramique pourrait également offrir une mise à niveau des pièces utilisées dans les turbines à vapeur et autres machines qui doivent résister à des conditions mécaniques difficiles. Le laboratoire est détenu conjointement par Boeing et General Motors, et le projet bénéficie d'un financement de la DARPA, la branche R&D du département américain de la Défense.
À gauche : ce bécher de résine contient des précurseurs de polymères qui peuvent être passés dans une imprimante 3D pour fabriquer des objets. À droite : dans l'imprimante, la lumière ultraviolette frappe la résine, la durcissant pour construire les choses une couche à la fois.
À gauche : ce bécher de résine contient des précurseurs de polymères qui peuvent être passés dans une imprimante 3D pour fabriquer des objets. À droite : dans l'imprimante, la lumière ultraviolette frappe la résine, la durcissant pour construire les choses une couche à la fois.
Après environ 90 minutes d'impression, cette petite pièce, une roue à aubes, sort du bain de résine. Les turbines sont utilisées dans les turbines à vapeur et autres machines qui doivent résister à l'usure et aux températures élevées.
À gauche : la pièce imprimée est traitée dans un four pour cuire le polymère et le transformer en céramique. Au cours du processus, la pièce rétrécit d'environ 30 %. À droite : Schaedler se prépare à retirer la pièce en céramique du four à 1 000 °C.
À gauche : la pièce imprimée est traitée dans un four pour cuire le polymère et le transformer en céramique. Au cours du processus, la pièce rétrécit d'environ 30 %. À droite : Schaedler se prépare à retirer la pièce en céramique du four à 1 000 °C.
Pour tester la tolérance à la chaleur du matériau, les scientifiques de HRL l'ont placé sous une torche à environ 1 200 °C.
L'astuce de HRL consiste à formuler des résines spéciales qui peuvent être utilisées comme encre dans une imprimante. Ils sont fabriqués à partir de polymères mais contiennent dans leur structure moléculaire du silicium et d'autres éléments présents dans la céramique. Ces résines sont chargées dans des imprimantes 3D pour fabriquer des pièces aux formes baroques, comme des tire-bouchons et des feuilles de treillis complexes. Ensuite, ces pièces entrent dans un four pour cuire les composants polymères organiques, laissant derrière eux un matériau céramique.
De plus grands morceaux de treillis en céramique imprimés et de feuilles de treillis comme ceux-ci pourraient être utilisés pour protéger les engins spatiaux des températures extrêmes.
Les céramiques imprimées en 3D pourraient être meilleures à certains égards que leurs homologues conventionnels. Un treillis fabriqué à HRL a 10 fois la résistance à la compression des céramiques disponibles dans le commerce. Ces pièces imprimées peuvent également tolérer des chaleurs aussi élevées que 1 700 °C, une température à laquelle d'autres céramiques commencent à se dégrader.
Mais le groupe espère toujours rendre ses céramiques imprimées plus résistantes. Une approche consiste à concevoir de nouveaux types de polymères précéramiques dans lesquels des fibres sont intégrées pour empêcher la propagation des fissures. La céramique est fragile et peut échouer de manière catastrophique avec une seule fissure. Cela ne fonctionnerait pas si un minuscule défaut faisait éclater une nouvelle pièce intelligente.