En utilisant des neutrons pour observer le processus de fabrication additive au niveau atomique, les scientifiques ont montré qu’ils pouvaient mesurer la déformation d’un matériau au fur et à mesure de son évolution et suivre la manière dont les atomes se déplacent en réponse au pressure.
Les industries de l’automobile, de l’aérospatiale, de l’énergie propre et de l’outillage – toute industrie qui a besoin de pièces complexes et hautes performances – pourraient utiliser la fabrication additive », a déclaré Alex Plotkowski, scientifique des matériaux à la division science et technologie des matériaux de l’ORNL et responsable scientifique de l’expérience. Plotkowski et ses collègues ont rapporté leurs découvertes dans Nature Communications.
Les scientifiques de l’ORNL ont développé Open up-AM, une plate-forme d’impression 3D able de mesurer l’évolution des contraintes résiduelles pendant la fabrication à l’aide de la ligne de lumière VULCAN de la supply de neutrons de spallation de l’ORNL, ou SNS, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie. Associé à l’imagerie infrarouge et à la modélisation informatique, ce système permet d’obtenir des informations sans précédent sur le comportement des matériaux lors de la fabrication.
Dans ce cas, ils ont utilisé de l’acier de transformation à basse température, ou LTT, pour mesurer physiquement la façon dont les atomes se déplacent en réponse à un anxiety, qu’il s’agisse de température ou de demand, à l’aide de la plateforme Open-Am.
Les contraintes résiduelles sont des contraintes qui subsistent même après la suppression d’une cost ou de la bring about de la contrainte ils peuvent déformer un matériau ou, pire, provoquer sa défaillance prématurée. De telles contraintes constituent un défi majeur pour la fabrication de composants précis dotés de propriétés et de performances souhaitables.
Les scientifiques ont conçu et réalisé pendant deux ans cette expérience qui permet de mesurer les déformations du matériau au cours de son évolution, qui déterminent la répartition des contraintes.
« Les fabricants pourront adapter les contraintes résiduelles dans leurs composants, augmentant ainsi leur résistance, les rendant as well as légers et présentant des formes furthermore complexes. La technologie peut être appliquée à tout ce que vous souhaitez fabriquer », a déclaré Plotkowski.
« Nous avons démontré avec succès qu’il existe un moyen d’y parvenir », a-t-il déclaré. « Nous démontrons que nous comprenons les liens dans un cas pour anticiper d’autres cas. »
Les scientifiques ont récemment remporté un prix R&D 100 2023 pour cette technologie. Le magazine R&D World a annoncé les gagnants en août. Plotkowski et d’autres gagnants seront récompensés lors de la cérémonie de remise des prix de l’organisation le 16 novembre à San Diego.
Les scientifiques ont utilisé une plate-forme de fabrication additive à arc filaire personnalisée pour effectuer ce qu’on appelle la diffraction neutronique operando d’un métal LTT au SNS. À l’aide de la ligne de lumière VULCAN de SNS, ils ont traité l’acier et enregistré les données à différentes étapes de la fabrication et après refroidissement à température ambiante. Ils ont combiné les données de diffraction avec l’imagerie infrarouge pour confirmer les résultats. Le système a été conçu et construit au Manufacturing Demonstration Facility, ou MDF, un consortium d’utilisateurs du DOE Highly developed Materials and Production Technologies Business, où un système répliqué de la plate-forme a également été construit pour planifier et tester les expériences avant de les exécuter sur la ligne de lumière.
SNS exploite un accélérateur de particules linéaire qui produit des faisceaux de neutrons pour étudier et analyser les matériaux à l’échelle atomique. L’outil de recherche qu’ils ont développé permet aux scientifiques de scruter l’intérieur d’un matériau au fur et à mesure de sa creation, observant littéralement les mécanismes à l’œuvre en temps réel.
L’acier LTT a été fondu et déposé en couches. Au fur et à mesure que le métal se solidifiait et refroidissait, sa construction se transformait en ce qu’on appelle une transformation de period. Lorsque cela se produit, les atomes se réorganisent et occupent un espace différent, et le matériau se comporte différemment.
Normalement, les transformations qui se produisent à des températures élevées sont difficiles à comprendre lorsqu’on examine un matériau uniquement après son traitement. En observant l’acier LTT pendant le traitement, l’expérience des scientifiques montre qu’ils peuvent comprendre et manipuler la transformation de phase.
« Nous voulons comprendre ce que sont ces pressure, expliquer comment ils sont arrivés et trouver remark les contrôler », a déclaré Plotkowski.
« Ces résultats fournissent une nouvelle voie pour concevoir des états de contraintes résiduelles et des distributions de propriétés souhaitables au sein des composants de fabrication additive en utilisant des contrôles de processus pour améliorer les variations spatiales et temporelles non uniformes des gradients thermiques autour des températures de transformation de period clés », écrivent les auteurs.
Plotkowski espère que des scientifiques du monde entier viendront à l’ORNL pour réaliser des expériences similaires sur les métaux qu’ils aimeraient utiliser dans la fabrication.
Cette recherche a été financée par le programme de recherche et développement dirigé par les laboratoires de l’ORNL, qui soutient la recherche et le développement à haut risque dans des domaines potentiellement de grande valeur pour les programmes nationaux.
