Les faisceaux de neutrons contribuent à faire progresser l'industrie de l'impression 3D

Bien que l'impression 3D soit largement connue pour sa capacité à fabriquer des têtes de bobines et des bibelots en plastique, c'est aussi un moyen pratique de produire des pièces uniques ou spécialisées pour des applications importantes. Par exemple, les imprimantes 3D permettent de fabriquer des pièces d'avion et de voiture sans avoir à équiper toute une usine, ce qui réduit le coût de production de petits lots ou même d'une seule pièce.

Cette nouvelle technologie, également connue sous le nom de « fabrication additive », représente aujourd'hui une industrie commerciale majeure. Générant déjà plus de 6 milliards de dollars de recettes annuelles, le secteur de l'impression 3D connaît actuellement une croissance à deux chiffres qui devrait se poursuivre à l'avenir, à mesure que la technologie arrive à maturité.

« Les [résultats] ont fourni des vérifications expérimentales précieuses pour accroître la précision de la capacité de notre logiciel à trouver la meilleure orientation pour produire la pièce. »

Les applications potentielles de cette technologie couvrent un large éventail d'industries, y compris certaines qui ne sont pas nécessairement considérées comme faisant partie du secteur manufacturier traditionnel. Par exemple, dans le secteur des soins de santé, certains patients ont déjà bénéficié des premiers exemples d'impression 3D d'implants biomédicaux et de dispositifs chirurgicaux spécialisés, qui ont des formes et des spécifications complexes ou personnalisées qu'il peut être difficile de produire à l'aide des méthodes de fabrication traditionnelles.

Afin de contribuer à la maturation de la technologie d'impression 3D, les chercheurs s'attaquent aux défis techniques liés à la production de pièces répondant à des spécifications précises.

« En principe, l'impression 3D peut produire un matériau de n'importe quelle forme, mais il arrive qu'elle échoue en raison des contraintes subies par le matériau pendant l'impression », explique Ravi Shankar, professeur d'ingénierie industrielle à l'Université de Pittsburgh, en Pennsylvanie.

« Cette contrainte peut entraîner des déformations de la forme, soit pendant la fabrication de la pièce, soit lorsqu'elle est extraite de l'imprimante. Si les distorsions sont supérieures aux limites de la spécification, il s'agit d'un échec, d'un produit "hors spécifications" », explique-t-il.

Pour résoudre ce problème, Shankar a dirigé une équipe comprenant des chercheurs de l'Université de Notre Dame et de l'Université d'État de l'Ohio. Cette collaboration, soutenue par un financement de 1,7 million de dollars du programme America Makes du National Center for Defense Manufacturing and Machining, a également bénéficié de l'implication d'ITAMCO, une société de logiciels d'impression 3D dont l'apport a aidé les chercheurs à déterminer quels tests produiraient les résultats les plus utiles pour l'industrie.

« Nous devions comprendre les relations entre la géométrie [c'est-à-dire la forme et l'orientation de la pièce imprimée], la contrainte et les distorsions qui en résultent. Ces connaissances sont essentielles pour les algorithmes d'impression 3D qui permettront d'éviter les distorsions ou de minimiser leur impact », explique M. Shankar. Un autre facteur à prendre en compte est le rôle de la structure de soutien. Les structures de support sont sélectionnées de manière à ce que la pièce ne bouge pas pendant l'impression, et cette sélection peut également avoir un impact sur les distorsions.

C'est là que les faisceaux de neutrons sont entrés en jeu : l'équipe de recherche de Shankar a accédé au Centre canadien de faisceaux de neutrons (CCFN) pour mesurer les contraintes présentes dans les composants en acier imprimés en 3D, puis pour comparer ces contraintes avec les distorsions qui les accompagnent. Les faisceaux de neutrons étant non destructifs, les chercheurs ont pu mesurer les contraintes présentes avant et après le retrait d'une pièce des structures de support.

Ces données ont fourni les informations nécessaires pour relier les structures de support et l'orientation de la pièce aux contraintes et aux distorsions qui en résultent dans la pièce imprimée en 3D. Les chercheurs ont publié certains de leurs résultats dans un article de 2017 (doi:10.1016/j.msea.2017.09.108) et d'autres publications sont en cours (NDLR : un autre article a été publié en août 2018 dans la revue Additive Manufacturing: https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.05.001).

Entre-temps, ITAMCO a déjà commencé à appliquer les résultats de l'équipe pour améliorer ses services commerciaux. Elle propose par exemple une plateforme logicielle accessible via un site web qui convertit la conception d'une pièce en un algorithme utilisable par l'imprimante 3D du client. Sur la base des résultats de la recherche, ce logiciel prend désormais en compte divers facteurs tels que les structures de soutien et les matériaux d'impression pour prédire les contraintes et les distorsions qui en résulteront si l'impression se fait dans plus de 100 orientations différentes. Le logiciel sélectionne ensuite une orientation qui minimisera la distorsion.

« Les données sur les contraintes et les autres résultats de la recherche du professeur Shankar ont fourni des vérifications expérimentales précieuses pour améliorer la précision de la capacité de notre logiciel à trouver la meilleure orientation pour produire la pièce », déclare Joel Neidig, directeur de la technologie chez ITAMCO.

Il ne fait aucun doute que de meilleures capacités prédictives comme celles-ci aideront l'impression 3D à révolutionner la production, que ce soit en permettant des gains d'efficacité auparavant inaccessibles dans le secteur de la fabrication traditionnelle ou en favorisant la création de dispositifs biomédicaux qu'il serait impossible de produire autrement.

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.