23/09/22
Dans le sous-sol du Benedum Hall de l’université Pitt, après les pièces de voitures de course qui s’étalent dans les couloirs, on y trouve une machine XL qui ressemble à un croisement entre un garage automobile et le port d’entrée d’un vaisseau spatial de science-fiction. Il s’agit d’une imprimante 3D métal à la pointe de la technologie – la première Gefertec arc605 dans une université américaine.
Pour produire de grandes pièces métalliques spécifiques, la machine est imbattable, a déclaré Albert To, professeur William Kepler Whiteford à la Swanson School of Engineering et expert en impression 3D.
« Même de l’ordre de quelques dizaines de pièces, c’est très avantageux », a-t-il déclaré. « Et si vous voulez inclure une certaine complexité, alors vous ne pouvez pas le faire autrement que par l’impression 3D ».
L’imprimante fait appel à la soudure, en faisant fondre des fils fabriqués à partir de métaux comme l’acier inoxydable, le titane et les alliages d’aluminium et en les déposant couche par couche. Les précédentes imprimantes 3D métal du laboratoire, qui utilisaient des lasers et de la poudre métallique, pouvaient déposer quelques centaines de grammes par heure ; celle-ci est un ordre de grandeur plus rapide.
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L’imprimante Gefertec est donc idéale pour produire des pièces plus grandes qui devraient normalement être moulées et outillées, une approche coûteuse qui n’est souvent pas pratique pour la fabrication de petites séries de pièces spécifiques. L’un des premiers projets de M. To, par exemple, consiste à fabriquer une articulation de pont d’un mètre de long pour l’armée américaine, qui n’est plus fabriquée.
Si la technologie existe depuis des décennies, ce n’est qu’au cours des dernières années qu’elle est devenue suffisamment fiable pour être largement reconnue. « Tout à coup, l’industrie s’est montrée très intéressée », notamment l’aérospatiale, l’énergie nucléaire, le pétrole et le gaz, a déclaré M. To.
Le logiciel de la machine et ses capacités « cinq axes », qui permettent de faire pivoter et d’incliner les pièces pendant l’impression, signifient qu’elle peut être utilisée pour créer des pièces métalliques complexes. Mais il reste encore de nombreux problèmes à résoudre. Par exemple, les métaux se déforment lorsqu’ils chauffent et refroidissent, un processus que To en utilisant la nouvelle imprimante lui permet étudier grâce à un financement de l’armée américaine et du ministère de l’Énergie.
Xavier Jimenez, doctorant à la Swanson School of Engineering, se prépare à faire fonctionner la Gefertec arc605, une imprimante 3D métal.
M. Jiminez et son conseiller Albert To, professeur William Kepler Whiteford à la Swanson School of Engineering, posent devant l’imprimante Gefertec. M. Jiminez tient une pièce d’essai fabriquée à l’aide de la machine pour s’assurer de son bon fonctionnement.
M. Jimenez utilise l’imprimante Gefertec à l’aide d’un terminal informatique intégré à la machine.
De simples « murs » en acier inoxydable soudés sur une surface à l’aide de la nouvelle imprimante.
L’un des premiers objets réalisés par Jimenez à l’aide de l’imprimante. La forme montre la capacité de l’imprimante à faire tourner la plaque, déposant les métaux à des angles différents.
Une pièce d’essai en titane imprimé en 3D. Lorsqu’ils impriment avec du titane, les chercheurs pompent du gaz argon dans l’imprimante pour s’assurer que le métal ne réagit pas chimiquement avec l’air.
M. Jimenez montre le fil que l’imprimante utilise pour construire des objets. L’un des avantages par rapport aux autres imprimantes 3D est que la matière première est le même fil bon marché et facile à trouver que celui utilisé par les soudeurs du monde entier, plutôt que des poudres coûteuses et spécialisées.
L’imprimante Gefertec en action. Un verre vert protège les spectateurs de la lumière vive de la soudeuse à l’arc de l’appareil, qui dépose des couches d’alliage d’aluminium.
Xavier Jimenez, étudiant en troisième année de doctorat dans le laboratoire de To, met au point un procédé d’impression 3D utilisant un nouveau type d’aluminium à haute résistance qui a des applications potentielles dans l’aérospatiale mais qui a tendance à se fissurer lorsqu’il est soudé.
« Il faut régler tous ces paramètres différents pour déterminer ce qui produira la meilleure soudure possible », explique M. Jimenez. « Chaque matériau se comporte un peu différemment ».
M. Jimenez est venu à Pitt en partie parce qu’il voulait travailler avec l’arc605 de Gefertec, mais la COVID-19 a mis des bâtons dans les roues et il a fallu trois ans pour que l’imprimante arrive à l’université. La machine est plus grande que certains studios, et quand elle est arrivée, elle a dû être déposée dans le laboratoire pièce par pièce par une grue, puis assemblée.
Après avoir réussi à l’installer, l’équipe est en train de tester les paramètres d’impression 3D de différents métaux. En testant l’approche pour différents métaux, puis en utilisant des rayons X et en testant les propriétés des matériaux, ils peuvent commencer à modéliser la façon dont le processus affecte une pièce – de la déformation visible aux changements de la structure microscopique du matériau.
Plus loin, le professeur To collabore avec des collègues pour créer des composants intelligents où des câbles à fibres optiques sont intégrés dans des pièces métalliques imprimées en 3D afin de détecter la température et la déformation de la pièce.
« Il a fallu beaucoup de travail pour réunir toutes les pièces et faire fonctionner la machine », a déclaré M. Jimenez. « Nous sommes très heureux qu’elle soit là ».
— Patrick Monahan, photographie par Aimee Obidzinski
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