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Analyse thermique des céramiques imprimées en 3D
Les céramiques sont utilisées dans de nombreux domaines de l’industrie.
En règle générale, les céramiques sont d’abord formées sous forme de corps verts à partir de la masse brute, avant que ce « corps vert » ne soit traité et cuit d’une manière spéciale (appelée frittage) pour le durcir et lui donner sa forme finale.
Selon l’industrie, il peut s’agir de simple vaisselle, de décoration ou d’articles sanitaires, mais aussi de céramiques techniques telles que des prothèses ou divers composants techniques.
Une pièce en céramique est généralement cuite dans un four après un premier traitement mécanique.
Elle est exposée à des températures comprises entre 900 °C et 1400 °C.
Pour ce faire, on chauffe dans un intervalle de temps défini à une température qui augmente régulièrement, mais aussi à des intervalles isothermes définis avec précision pour contrôler les réactions chimiques pendant la cuisson de la céramique et pour contrôler le dégazage de la vapeur d’eau, du dioxyde de carbone et d’autres adjuvants.
Après la première cuisson, une glaçure est souvent ajoutée à la céramique, puis la pièce est cuite à nouveau pour la durcir complètement.
L’ensemble du processus dure plusieurs heures et prend donc beaucoup de temps.
En outre, il n’est pas possible de garantir que la pièce sortira intacte du four après la cuisson ; diverses erreurs (manque de matériau, processus de cuisson incorrect, etc.) peuvent se produire et entraîner des cassures ou des fissures dans la céramique.
La fabrication additive est une solution plus moderne et plus simple pour cuire une grande variété de composants céramiques.
Dans le cas de la céramique, on parle souvent d’impression 3D.
Il s’agit d’un processus de fabrication dans lequel le matériau est appliqué couche par couche pour créer des objets tridimensionnels.
La conception est généralement assistée par ordinateur (CAO) et un ou plusieurs matériaux liquides ou solides sont utilisés comme matériau de départ selon des dimensions et des formes spécifiées.
Au cours du processus d’élaboration, par le biais d’un processus d’impression, de durcissement chimique ou de fusion, un matériau est utilisé comme matériau de départ. chimiques ou de fusion se déroulent, souvent contrôlés par la température ou le laser.
Il est même possible d’utiliser un scanner 3D pour créer un modèle.
L’avantage de cette méthode par rapport aux procédés de cuisson conventionnels est évident : en appliquant la céramique en couches, il est possible de produire des structures filigranes et complexes pour lesquelles le risque de rupture pendant le processus de cuisson serait particulièrement élevé.
En outre, un gain de temps considérable est réalisé, car une pièce frittée additivement ou imprimée en 3D peut être fabriquée beaucoup plus rapidement du fait que le processus de cuisson dans le four n’est pas nécessaire.
Par rapport à tous les procédés d’enlèvement de matière tels que le découpage, le tournage et le perçage, l’impression 3D présente l’avantage d’éliminer l’étape d’usinage supplémentaire après le moule d’origine.
Dans la plupart des cas, le processus est également plus économe en énergie, en particulier si le matériau ne doit être fabriqué qu’une seule fois dans la taille et la masse requises.
Il est également avantageux de pouvoir traiter différents matériaux dans une seule machine.
À l’origine, le processus d’impression 3D a été appliqué et développé dans l’industrie des polymères car les plastiques sont faciles à fondre et à manipuler et ne nécessitent pas de frittage ou de durcissement.
En chauffant juste au-dessus du point de ramollissement et en refroidissant rapidement le filament imprimé, il était possible de créer des structures en temps réel.
Cependant, le processus a rapidement évolué pour imprimer non seulement divers polymères, mais aussi des métaux et des céramiques, ce qui fait de l’impression 3D une option polyvalente pour la fabrication.
Les matériaux typiques utilisés aujourd’hui pour l’impression 3D sont les plastiques, les céramiques, les métaux ou les composés de carbone tels que le graphite. Les techniques les plus importantes sont la fusion par faisceau laser et la fusion par faisceau d’électrons pour les métaux, le frittage laser pour les polymères, les céramiques et les métaux, la stéréolithographie et le traitement numérique de la lumière pour les résines liquides, et la modélisation par polyjet et la modélisation par couche fusionnée pour les plastiques et les résines.
Les processus de fabrication additive peuvent être divisés en sept catégories principales et sont désormais décrits en détail dans certaines normes (DIN EN ISO/ASTM 52900, anciennement ASTM F2792) :
- Sortie du classeur
- Production de matériaux
- Fusion des lits de poudre
- Extrusion de matériaux
- Photopolymérisation en cuve
- Dépôt d’énergie ciblé
- Plastification des feuilles
La principale différence entre eux est la manière dont les couches sont appliquées pour créer les pièces et les matériaux utilisés.
Les facteurs les plus importants dans le choix de la machine et du processus d’impression 3D sont la vitesse (en fonction de la taille de l’objet) et le coût (du matériau et de la machine).
Matériaux en général : métal, céramique, plastique.
Le principal champ d’application de la technologie de fabrication additive reste la recherche et, surtout, le développement de produits ou la construction de prototypes dans l’industrie.
Elle convient parfaitement à la production de modèles, de prototypes, d’outils ou de produits spécifiques, étant donné qu’aucun outil spécial n’est nécessaire et que le passage du dessin au modèle peut être réalisé très rapidement.
Les autres domaines d’application sont principalement la technologie médicale où des prothèses et des implants spécialement adaptés (notamment en dentisterie) doivent être fabriqués, souvent sur mesure.
Mais des domaines d’application plus inhabituels, tels que la sculpture et l’art, utilisent également la fabrication additive pour produire des sculptures.
Entre-temps, les imprimantes 3D peuvent également être utilisées à des fins privées, car les processus et les imprimantes ont désormais atteint la maturité de production et sont accessibles au public à un coût relativement faible.
Dans les ménages, les produits en plastique en particulier, tels que les jouets, les pièces détachées ou les petits supports, peuvent être fabriqués facilement et sans grandes connaissances préalables.
Pour les céramiques, les méthodes suivantes sont utilisées pour l'impression 3D :
- Les procédés de fusion sur lit de poudre, tels que le frittage sélectif par laser (SLS). Ce procédé peut généralement être utilisé pour imprimer des polymères, des poudres céramiques ou des métaux. Il consiste à faire fondre la poudre du matériau à l’aide d’un laser à haute énergie pour créer des matériaux complètement denses, couche par couche. Une fine couche de poudre est déposée sur un plateau à l’aide d’une buse. Un laser commence alors à fritter la poudre localement, créant ainsi la première couche. L’impression 3D à jet d’encre est une variante de ce procédé. Un liant est imprimé sur une couche de poudre (plâtre ou résine) dans la section transversale de la pièce à l’aide d’un procédé semblable à celui du jet d’encre. L’avantage des techniques de fusion sur lit de poudre est que l’excédent de poudre sert de support à l’objet imprimé.
- La modélisation par dépôt fusionné (FDM) ou la fabrication par filament fusionné (FFF) permet de traiter de petites parcelles de la céramique souhaitée.
- Pour ce faire, un liant spécifique est utilisé dans le filament, généralement un plastique spécial qui maintient la poudre de céramique ensemble.
Le filament est ensuite chauffé à un point tel qu’il se liquéfie et peut être imprimé, tout comme un filament plastique classique.
Les grains de céramique ont ici un diamètre d’environ 1 à 2 µm.
- Ainsi, ils sortent directement de la buse lorsque vous imprimez avec le plastique et vous pouvez imprimer directement les couches souhaitées.
- Seul le plastique, qui maintient la poudre ensemble et la transporte, fond au cours de ce processus et sert donc de liant. Le résultat final est un moule imprimé, mais il s’agit toujours essentiellement de la poudre de céramique et non d’un corps céramique solide.
- Il ne s’agit pas encore du produit final, mais d’un compact vert qui doit d’abord être retravaillé.
- Enfin, un processus spécial permet d’éliminer une partie du plastique. Vient ensuite le processus de frittage, au cours duquel la pièce est exposée à des températures élevées et à des substances chimiques dans un four spécial.
- Au cours de ce processus, les pièces en céramique se combinent et le plastique est complètement éliminé. Le FDM est donc en fin de compte très similaire au processus de cuisson de la céramique d’origine, puisque l’on n’économise qu’une étape de cuisson, mais que l’on doit toujours procéder à la seconde.
- Pour ce faire, un liant spécifique est utilisé dans le filament, généralement un plastique spécial qui maintient la poudre de céramique ensemble.
Le filament est ensuite chauffé à un point tel qu’il se liquéfie et peut être imprimé, tout comme un filament plastique classique.
Les grains de céramique ont ici un diamètre d’environ 1 à 2 µm.
Les bonnes conditions pour le matériau à utiliser dans une imprimante 3D dépendent du comportement thermique, comme la température de fusion et la façon dont le matériau se dilate sous l’effet de la température, ou de la conductivité thermique.
Il est donc logique de tester de manière approfondie les propriétés thermiques des matériaux utilisés pour l’impression 3D.
Les dispositifs suivants sont pertinents pour ces recherches :
- Classique dilatométrie (DIL) peut être utilisée pour étudier de manière approfondie l’expansion linéaire thermique et le comportement de frittage des solides et des poudres.
Cela signifie que la dilatométrie est désormais une procédure standard dans la production de céramiques. - En outre, diverses méthodes d’étude de la conductivité thermique sont utiles pour simuler et contrôler la distribution et la conduction de la température dans la pièce.
Les méthodes les plus courantes sont les techniques de flash telles que la méthode du flash laser (LFA)dans laquelle la température et la conductivité thermique des solides ou des poudres peuvent généralement être mesurées à l’aide d’un flash lumineux à haute énergie.
Il existe également des méthodes à fil chaud telles que le pont chaud transitoire (THB)qui peuvent fournir des valeurs fiables de transfert de chaleur relativement rapidement à température ambiante.
Le testeur de matériaux trans-interface (TIM)une variante de la méthode de la plaque chauffante gardée convient également aux pâtes et aux poudres et permet principalement de mesurer différentes densités apparentes et les changements qui en résultent dans les propriétés de transport thermique.
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Une fois qu’un composant est fabriqué, il est important de déterminer les exigences en matière de propriétés thermiques et mécaniques du composant et de les développer à l’aide d’une conception spécifiquement adaptée au processus.
Cela est généralement vrai quel que soit le procédé de fabrication utilisé pour produire le composant.
Toutefois, dans le cas des composants fabriqués additivement, il est particulièrement nécessaire de vérifier les propriétés mécaniques, car celles-ci peuvent être différentes de celles d’un objet moulé ou cuit en raison de la structure des couches.
Dans le cas des céramiques notamment, la pièce se rétracte massivement après le frittage ou le dépôt additif, et il peut y avoir diverses sources de défauts qui conduisent à une défaillance du matériau.
Ici aussi, on utilise généralement un dilatomètre et, dans certaines circonstances, même une analyse thermomécanique (TMA) qui permet d’enregistrer avec précision les propriétés mécaniques des matériaux au moyen d’essais de flexion, de traction et de compression.
