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Posté par Redbran le Jeudi 13/04/2017 à 00:00
Un nouveau modèle pour mieux contrôler l'impression 3D des métaux
À partir de diverses poudres, le frittage sélectif par laser permet de façonner des objets à volonté. La complexité de la réaction des poudres métalliques lors de leur fusion affecte cependant la qualité de cette impression en 3D. Des chercheurs des laboratoires ICube à Strasbourg et QEERI au Qatar ont donc mis au point (Graphie) une simulation pour mieux comprendre et contrôler la distribution de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Ces travaux sont publiés dans la revue Additive Manufacturing.


Modèle d'élément fini pour les simulations. Direction du balayage est montrée par les flèches aller-retour.

Toujours plus populaire, l'impression 3D permet de réaliser n'importe quel objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) à partir d'un modèle numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une...). Parmi les différentes techniques de fabrication, le frittage (Bien qu'il n'existe pas de définition du frittage faisant l’unanimité, il peut être décrit comme une consolidation d'un matériau (par exemple une poudre), obtenue en minimisant l’énergie du système grace à un apport d’énergie...) sélectif par laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) façonne ses créations grâce à des poudres, qui fusionnent couche après couche sous la chaleur du laser. Outre des polymères, des poudres métalliques peuvent être employées. Mais à cause du mouvement du faisceau laser, la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée...) n'est pas distribuée de manière homogène et stable dans le lit de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général...). De plus, les propriétés des métaux changent selon qu'ils soient en poudre ou liquéfiés. Ces phénomènes réduisent la qualité de la couche solidifiée, et donc de la pièce finale. Des chercheurs du laboratoire des sciences de l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de...), de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement...) et de l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) (ICube, CNRS/Université de Strasbourg/INSA Strasbourg/ENGEES Strasbourg) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) en environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...) et en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du Qatar (Université Hamad Bin Khalifa/Fondation du Qatar) ont ainsi développé un modèle pour mieux comprendre le processus de chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) et refroidissement du lit de poudre.

Ils ont conçu cette simulation 3D à partir du code ABAQUS de Dassault Systèmes (Dassault Systèmes est une entreprise française, éditeur de logiciels et filiale du Groupe Dassault. [1]) et de la méthode des éléments finis. Très utilisée en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref,...) et en thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans...), elle fournit des approximations fiables aux problèmes dynamiques les plus complexes. Les chercheurs ont pour cela ajouté une série de sous-routines au programme principal de calcul de la chaleur. Ces tâches codées prennent en compte les nombreuses interactions qui ont lieu lorsque le laser balaye le lit de poudre: conduction, rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.), convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément : les...), latence... Une formule permet par exemple de calculer l'évolution de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...) de la poudre, en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et de la température. Ces simulations ont été appliquées au cas de la poudre de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), avec des prédictions en bon accord avec les résultats expérimentaux.

Références publication:
Finite element simulations of temperature distribution and of densification of a titanium powder during metal laser sintering
L. Dong, J.P.M. Correia, N. Barth, S. Ahzi
Additive Manufacturing 13, 37–48 (Elsevier) (2017)
http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2016.11.002

Contact chercheur:
Said Ahzi (ICube)

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Source: CNRS-INSIS