Des étudiants développent un nouveau procédé d'impression de plusieurs métaux simultanément
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Des étudiants de l'ETH Zurich ont mis au point une machine de fusion laser qui imprime des composants ronds en cercle et peut ainsi traiter plusieurs métaux simultanément. Le système réduit considérablement le temps de fabrication et ouvre de nouvelles possibilités pour l'aérospatiale et l'industrie. L'ETH a déposé une demande de brevet pour cette machine.
| En bref - Grâce à une plate-forme rotative, une nouvelle machine d'impression 3D sur métal peut appliquer de la poudre de matériau et la fusionner en une seule étape. Elle travaille ainsi plus rapidement que les appareils traditionnels. - Le système peut traiter deux métaux différents en un seul passage. Il économise ainsi des étapes de travail et n'utilise que la quantité de matériau effectivement nécessaire. - Un prototype a été réalisé en seulement neuf mois et offre un potentiel pour des applications dans l'aérospatiale, l'aviation et la technique d'entraînement - partout où des objets légers et cylindriques sont nécessaires. |
Presque tous les moteurs de fusée modernes utilisent aujourd'hui l'impression 3D, car elle permet d'associer structure et fonction de manière particulièrement précise et d'augmenter ainsi les performances. Des étudiants de l'ETH Zurich ont désormais construit à cet effet l'imprimante métallique multimatériaux la plus rapide : La nouvelle machine de fusion laser fait tourner simultanément les buses de poudre et de gaz lors de l'impression. Elle traite ainsi plusieurs métaux en un seul passage, sans pauses. Cette machine pourrait changer fondamentalement l'impression 3D de pièces métalliques en réduisant considérablement le temps de production et les coûts.
L'équipe de six étudiants en bachelor des cinquième et sixième semestres a développé la nouvelle machine dans le cadre du projet focal Rapture au laboratoire des nouvelles technologies de fabrication, sous la direction du professeur de l'ETH Markus Bambach et du scientifique Michael Tucker. En seulement neuf mois, les étudiants ont transformé l'idée en plans concrets, l'ont construite et l'ont testée. La machine est particulièrement adaptée aux applications aéronautiques et spatiales qui requièrent des composants cylindriques - comme des tuyères de fusée ou des turbines. Mais elle est également intéressante pour la construction mécanique en général.
Donner accès à une technologie avancée
Le chef de projet Tucker explique que le projet est né d'un défi très concret : Aris, la "Swiss Academic Space Initiative", développe ses propres fusées et a besoin pour cela de tuyères spéciales pour les carburants liquides. L'équipe d'étudiants poursuit l'objectif d'atteindre dans les années à venir la ligne de Kármán - cette frontière internationalement reconnue vers l'espace à 100 kilomètres d'altitude, à partir de laquelle l'atmosphère est trop mince pour permettre aux avions de voler sans propulsion particulière.
Pour que les tuyères de fusée puissent résister à la chaleur extrême et à la pression élevée lors d'un lancement prolongé, elles devraient idéalement être composées de plusieurs métaux. Ainsi, l'intérieur d'une tuyère peut être constitué de cuivre thermoconducteur avec des canaux de refroidissement intégrés, tandis que l'extérieur est fabriqué dans un alliage de nickel résistant à la chaleur. "Jusqu'à présent, une telle technologie multi-métaux était trop compliquée et trop chère pour les petits acteurs comme l'équipe de fusées des étudiants", explique Tucker.
L'impression 3D en rotation
Le cœur de la nouvelle machine est une plateforme rotative qui permet un processus d'impression rapide. Contrairement aux machines de fusion laser rectangulaires traditionnelles, où une nouvelle couche de poudre doit être appliquée après chaque couche fondue, la machine de Rapture fonctionne en continu grâce à sa plateforme rotative : la machine peut appliquer de la poudre et la faire fondre par le laser en même temps. La productivité augmente ainsi considérablement. Pour les pièces cylindriques, le temps de fabrication est réduit à moins d'un tiers.
Les tuyères de fusée, les moteurs rotatifs et de nombreux composants dans l'aéronautique et l'aérospatiale sont idéaux pour ce processus, explique Tucker. Ils ont typiquement un grand diamètre, mais des parois très fines. La machine peut certes produire des pièces non axisymétriques ou des ensembles complets de composants, mais le procédé rotatif est particulièrement efficace pour les géométries annulaires.
Transformer deux métaux en un seul processus
La machine rotative peut traiter simultanément deux métaux différents en un seul passage. Les systèmes traditionnels nécessitent pour cela plusieurs étapes et beaucoup plus de poudre métallique. Comme la poudre mélangée est difficile à séparer et à réutiliser, elle est aujourd'hui généralement perdue en tant que déchet. Le nouveau procédé n'applique le matériau qu'à l'endroit où il est réellement nécessaire sur la pièce et permet ainsi d'économiser du matériau.
La machine souffle un gaz spécial sur le point de fusion de la poudre afin de stabiliser le processus. L'azote empêche le composant de s'oxyder pendant qu'il est imprimé. La suie, les éclaboussures et autres sous-produits sont éliminés de manière ciblée par un extracteur. "Au début, nous avons sous-estimé l'impact de ce dispositif d'écoulement de gaz sur la qualité du produit", explique Tucker. "Aujourd'hui, nous savons qu'il est décisif." Grâce à l'architecture rotative de la machine nouvellement développée, les flux de gaz au point de traitement peuvent être contrôlés avec beaucoup plus de précision que dans les installations traditionnelles.
Une couronne de guidage achevée pour une turbine haute pression d'un diamètre de 75 millimètres. (Image : Michael Tucker / ETH Zurich)
Du sur-mesure plutôt que des composants standard
Lors du développement de cette nouvelle machine de fusion laser, les étudiants ont dû surmonter plusieurs obstacles techniques. L'un d'eux consistait à synchroniser précisément le faisceau laser avec la rotation de l'alimentation en gaz et en poudre. De nombreux composants nécessaires à la machine n'étaient pas disponibles dans le commerce, l'équipe les a donc conçus elle-même. Il s'agit notamment d'un raccord rotatif pour le système d'alimentation en gaz et d'un système permettant de recharger automatiquement la poudre pendant le fonctionnement.
Malgré tout, l'équipe d'étudiants a réussi à construire une machine qui a presque l'air d'une machine industrielle. Pour Tucker, c'était l'un des points forts du projet Fokus : "Qu'une équipe d'étudiants développe et construise une machine fonctionnelle en neuf mois, c'est extraordinaire".
Potentiel pour l'aérospatiale, l'e-mobilité et plus encore
Outre l'utilisation concrète pour Aris et pour l'industrie spatiale en général, l'équipe voit des possibilités d'application dans d'autres domaines, par exemple pour les turbines d'avion ou à gaz ainsi que pour les moteurs électriques, pour lesquels les géométries annulaires sont typiques. En raison de la nouveauté et du grand potentiel économique, l'ETH a déposé un brevet pour la technologie de fusion laser rotative multimétaux. Entre-temps, elle a également été nominée pour le prix Spark de l'ETH.
Les pièces fabriquées jusqu'à présent avec le prototype ont un diamètre allant jusqu'à 20 centimètres. L'équipe de recherche s'efforce maintenant de faire évoluer le processus vers des vitesses plus élevées et des diamètres plus importants. Pour ce faire, les chercheurs sont actuellement à la recherche de partenaires industriels désireux de développer et d'appliquer la technologie en collaboration avec eux.