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Jun 07, 2023

Mettre la pédale au métal - et d'autres matériaux en mouvement

Les progrès récents dans les polymères, les métaux et les composites prennent le

Les progrès récents dans les polymères, les métaux et les composites entraînent l'industrie manufacturière dans des directions audacieuses, souvent inattendues

Les humains ont commencé à transformer les métaux en formes utiles il y a des millénaires, d'abord avec du cuivre et de l'or, puis du bronze, suivis du fer et de l'acier. Les polymères ont une histoire beaucoup plus courte - un peu plus d'un siècle - mais sont depuis devenus tout aussi importants que leurs homologues métalliques.

Ensuite, il y a les nouveaux venus dans l'évolution des matériaux, parmi lesquels les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP) et les composites à matrice métallique, qui sont devenus de plus en plus populaires ces dernières années en raison de leur résistance et de leur rigidité, de leur poids relativement faible et de leur "accordabilité" pour diverses applications.

Les innovations se poursuivent dans tout le spectre des matériaux, produisant un mélange éclectique de formulations avancées avec des propriétés spécifiques à l'application pour améliorer la résistance, la durabilité et la formabilité, tout en réduisant le poids et en améliorant la durabilité. Non pas qu'il y ait jamais eu beaucoup de doute, mais le développement des matériaux modernes est vraiment une science.

Ironiquement, l'un des acteurs les plus établis de cette ménagerie de matériaux, l'acier, s'efforce à nouveau de prendre la tête du peloton, du moins dans le monde de l'automobile. C'est parce que l'acier avancé à haute résistance (AHSS) et l'acier à ultra-haute résistance (UHSS) ont pris le siège du conducteur dans de nombreuses conceptions de voitures et de camions, grâce à leur poids et à leurs avantages environnementaux.

Les aciers dits de 3e génération "peuvent réduire le poids structurel d'un véhicule jusqu'à 25 % et réduire les émissions totales de CO2 du cycle de vie jusqu'à 15 % de plus que tout autre matériau automobile", selon l'American Iron and Steel Institute (AISI), Washington, DC

Chris Kristock, vice-président du programme automobile d'AISI, a noté que l'industrie sidérurgique a connu plusieurs phases distinctes sur la route vers ces aciers à haute résistance. "Certains d'entre nous se souviennent peut-être des Checker Cabs pratiquement indestructibles des années 50, dont les panneaux de carrosserie étaient faits d'alliages carbone-manganèse épais", a-t-il déclaré. "À l'époque, la résistance était obtenue en utilisant des matériaux plus épais, une pratique inédite de nos jours."

La première étape vers des métaux plus minces a été l'ajout de columbium, de titane, de vanadium et d'éléments d'alliage similaires, qui servent tous à augmenter la résistance tout en maintenant une bonne ductilité. Cependant, toutes les améliorations ne sont pas purement métallurgiques. Les constructeurs automobiles ont rapidement développé le processus d'estampage à chaud, où l'acier contenant des quantités légèrement plus élevées de carbone et de manganèse (et un peu de bore) est chauffé à 1 800 ° F (982 ° C) pendant le formage, puis trempé alors qu'il est encore dans la matrice. Et bien que ce processus produise des pièces solides et de haute qualité, les constructeurs automobiles en voulaient plus.

Kristock a expliqué que les aciers Gen3 sont de nature biphasée, avec une microstructure ferritique-martensitique qui augmente considérablement leurs propriétés mécaniques.

"L'acier à faible teneur en carbone traditionnel a une limite d'élasticité pour former environ 210 mégapascals (MPa), ou 30 000 psi", a-t-il déclaré. "Pourtant, les aciariants ont commencé à distribuer des alliages commerciaux qui peuvent être tamponnés à froid avec une limite d'élasticité dans la plage de 800 MPa et une résistance à la traction associée de 1 180 MPa, avec des grades d'estampage à chaud capables d'atteindre des niveaux de résistance à l'élastique dans des pièces finies jusqu'à 1400 MPa ou jusqu'à sept fois celle de l'acier doux avec une résistance à la résistance à 1500 MPa.

Comme indiqué au début, les humains fabriquent de l'acier depuis des millénaires. Alors, qu'est-ce qui a changé ? Ces énormes améliorations sont-elles dues à des éléments d'alliage récemment découverts ou à une méthode de fabrication radicalement différente ?

La réponse, a expliqué Kristock, est ni l'un ni l'autre. "Grâce à des contrôles de processus avancés et à une multitude d'améliorations technologiques, nous sommes mieux équipés pour manipuler le traitement thermique qui se déroule pendant la fabrication de l'acier", a-t-il déclaré. "Nous pouvons chauffer et refroidir l'acier de manière à rompre la relation traditionnelle entre résistance et ductilité."

Mais il y a bien plus dans cette histoire de la sidérurgie. Kristock a poursuivi en décrivant les fours de recuit continu et les systèmes de trempe au gaz qui permettent aux opérateurs d'usines de produire de l'AHSS et de l'UHSS, sans parler d'une foule de méthodes de formage et d'assemblage avancées que l'AISI et ses sociétés membres ont développées pour fabriquer avec succès des produits à partir de ces aciers à haute résistance. En termes simples, l'industrie sidérurgique est bien vivante et continue de fournir aux constructeurs automobiles et à d'autres segments du marché les alliages dont ils ont besoin pour livrer des marchandises de haute qualité.

QuesTek Innovations LLC possède une vaste expérience dans le développement et le déploiement de nouveaux alliages. La société d'Evanston, dans l'Illinois, fournit des services intégrés d'ingénierie des matériaux informatiques (ICME) depuis plus de 25 ans et proposera bientôt ses kits d'outils, modèles et bases de données de matériaux exclusifs via un abonnement logiciel en tant que service (SaaS) basé sur le cloud sous le nom de marque ICMD (conception intégrée de matériaux informatiques).

Mais comme l'a expliqué Keith Fritz, directeur de l'architecture des solutions, les services de QuesTek vont bien au-delà du développement pour inclure l'optimisation des matériaux spécifiques au produit et l'assistance à la fabrication, ce que l'entreprise appelle la "concurrence des matériaux".

"Disons que vous devez concevoir le train d'atterrissage d'un avion", a déclaré Fritz. "L'une des premières choses à faire est de rechercher un alliage qui offre les caractéristiques de performance nécessaires, puis de concevoir les pièces en fonction de ces spécifications. Dans d'autres cas, vous pouvez concevoir un produit avant de trouver, ou éventuellement de développer, un matériau qui répondra à vos exigences", a-t-il poursuivi. "L'idée avec la simultanéité des matériaux est que ces deux processus commencent en même temps. Vous pouvez développer le matériau et le produit en parallèle, ce qui est un changement radical par rapport à la façon dont les pièces étaient conçues dans le passé."

Des exemples de cela incluent un projet avec l'armée américaine, qui cherchait à remplacer les anciens aciers 8620 et 9310 utilisés dans ses trains d'engrenages de rotor d'hélicoptère par de nouveaux alliages qui présenteraient "une combinaison de résistance accrue à la flexion et à la fatigue de contact, une résistance de noyau améliorée avec une bonne ténacité, une résistance à la température plus élevée et une excellente trempabilité".

C'était une tâche difficile, mais en tirant parti de ses outils logiciels et de son expertise en ingénierie, QuesTek a développé la poudre d'acier Ferrium C64, permettant aux sous-traitants Bell Helicopter et Sikorsky (qui fait partie de Lockheed Martin) d'imprimer en 3D des pièces prototypes qui répondaient aux exigences de l'armée.

Un projet similaire avec l'US Navy a conduit au Ferrium N63, un alliage tout aussi résistant et durcissable adapté à une large gamme d'applications exigeantes de défense et d'énergie. Mais peut-être que la plus connue des réussites de QuesTek touchera tous ceux qui portent une Apple Watch. Ici, le fabricant "a acquis une certaine technologie et un certain savoir-faire" de QuesTek et l'a utilisé pour développer une nouvelle qualité d'aluminium, une avec une résistance et une dureté de surface élevées, d'excellentes caractéristiques d'usinage et d'autres propriétés qui aideraient Apple à maximiser la rentabilité et la satisfaction des clients.

"Nous travaillons également avec les clients pour optimiser les matériaux existants", a ajouté Thomas Kozmel, responsable du développement des matériaux chez QuesTek. « Comme de nombreux acteurs de l'industrie le savent, les spécifications des alliages sont généralement assez larges, ce qui signifie qu'un lot de matériaux peut être moins usinable qu'un autre, même s'ils sont techniquement de la même qualité. Par exemple, nous avons récemment aidé un client aérospatial à développer une formulation améliorée d'Inconel 718 mieux adaptée à son application spécifique que la spécification générique.

Pin Lu, responsable de programme et ingénieur principal en conception de matériaux chez QuesTek, est d'accord. "Nos modèles, qui peuvent être considérés comme des jumeaux numériques, peuvent simuler les différents processus qu'un alliage peut subir pendant la fabrication, qu'il s'agisse de moulage, de traitement thermique, de post-traitement, de finition de surface, etc. Répondre à de telles questions sur un modèle numérique permet au fabricant d'économiser beaucoup de temps de développement par essais et erreurs et de réduire les coûts de test des matériaux, tout en offrant un meilleur résultat."

Parfois, les innovations de produits ne dépendent pas du tout de nouveaux matériaux, mais d'une meilleure compréhension des matériaux existants. C'est le cas de Milwaukee Tool, qui a investi des efforts considérables dans la collecte de données et l'analyse avancée basée sur le cloud à cette fin précise. C'est selon Max Sawa, directeur principal de l'ingénierie avancée, qui a expliqué que le fournisseur de solutions de chantier pour les métiers de la mécanique, de l'électricité et de la plomberie basé à Brookfield, dans le Wisconsin, exploite une large gamme d'équipements de prototypage et de test dans son centre d'innovation.

"Nous avons une équipe frontale au sein de notre groupe d'ingénierie avancée qui conçoit et construit des machines personnalisées pour le prototypage et les tests", a déclaré Sawa. "Ces machines sont équipées de capteurs qui collectent des données, que nous utilisons ensuite pour analyser les performances du produit et prendre de meilleures décisions de conception. Il peut s'agir d'informations sur la façon dont un métal a réagi au traitement thermique, ou peut-être sur la performance d'un polymère surmoulé après des cycles répétés.

"En fin de compte", a-t-il poursuivi, "ce type d'informations est crucial pour tout ingénieur qui conçoit de nouveaux produits. Plus vite nous pouvons leur fournir ces informations, plus vite ils peuvent itérer et mettre les produits sur le marché."

L'un des résultats notables de ces efforts a été lorsque les ingénieurs de Milwaukee Tool ont inventé un moyen plus efficace de lier les dents en carbure à sa marque de lames de scie en acier Sawzall Torch qui aurait multiplié par cinquante la durée de vie de l'outil. La société a également développé des lames Nitrus Carbide pour les scies alternatives, qui promettent une coupe plus rapide et une durée de vie plus longue dans la fonte et les métaux épais. "Chacun d'entre eux est le résultat direct de la collecte de données à partir de nos processus de prototypage (qui) accélèrent ces types de développement de matériaux", a noté Sawa.

John Barnes a beaucoup à dire sur le développement de produits, en particulier lorsqu'il s'agit de ceux produits via l'impression 3D. En tant que fondateur et PDG de The Barnes Global Advisors, une société de conseil en fabrication additive (AM) à Pittsburgh, il a reconnu il y a des années la nécessité d'une plus grande cohérence dans les poudres de métal et de polymère utilisées dans les méthodes AM de fusion laser sur lit de poudre (LPBF), de dépôt d'énergie directe (DED) et de dépôt de particules supersoniques (pulvérisation à froid).

En collaboration avec son partenaire commercial Chris Aldridge, Barnes et son équipe ont développé une technologie innovante qui contourne les méthodes d'atomisation traditionnelles au profit d'une technique de génération de poudre mécanique, qui utilise des barres disponibles dans le commerce et est réalisée à température ambiante. En 2017, le duo a mis son procédé sur le marché et a fondé Metal Powder Works (MPW), une société basée à Pittsburgh, que Barnes décrit comme un « catalyseur d'alliages » plutôt que comme un développeur d'alliages.

"Aujourd'hui, il existe 16 spécifications AMS différentes pour la poudre métallique, mais plus de 2 000 spécifications pour les barres", a déclaré Barnes. "Notre procédé permet de convertir directement les barres en poudre, sans modifier leurs propriétés métallurgiques, ce qui facilite grandement la certification des pièces imprimées en 3D.

"De plus, nous offrons un rendement bien supérieur et une meilleure consistance de la poudre que celle disponible par atomisation, et avons un meilleur contrôle sur la morphologie et la distribution des tailles des particules", a affirmé Barnes. "J'essaie généralement d'éviter des termes comme révolutionnaire ou perturbateur, mais je dois dire qu'aucun autre processus ne peut offrir ce que le nôtre fait."

Pourquoi la forme des particules est-elle un gros problème alors que ces minuscules morceaux de métal vont de toute façon être fondus, fusionnés ou brisés ensemble ? Barnes a expliqué que chaque technologie AM a ses propres exigences distinctes, mais un fil conducteur entre les processus de lit de poudre et de pulvérisation à froid est le besoin de cohérence d'abord, un attribut que le processus MPW fournit intrinsèquement, ainsi que la capacité d'adapter la production au processus de fabrication spécifique pour atteindre la densité.

Les formes largement sphériques produites par atomisation de gaz entrent en contact avec chacun de leurs voisins en un ou deux points seulement, limitant leur capacité à fusionner les unes avec les autres. Ce n'est pas le cas avec le procédé DirectPowder de MPW, qui, grâce au contrôle numérique, peut être "programmé" pour générer des particules semi-sphériques, en forme de disque et même en forme de fil dans une large gamme de tailles.

"Nous pouvons également produire du matériel à la demande directement au point d'utilisation, ce que nous appelons Sidecar ou la marque déposée Powder by the Hour", a ajouté Barnes. "Cela réduit les problèmes de sécurité. Il y a peu de besoin de stockage, éliminant les problèmes d'oxydation qui sont si courants avec les poudres. Et c'est beaucoup moins cher - alors qu'une barre d'aluminium 7075 coûte aujourd'hui environ 5 dollars la livre, un seau de poudre atomisée coûte 80 dollars la livre. Vos comptables devraient donc également être plus satisfaits de cette solution. "

Mis à part les économies de coûts, Metal Powder Works n'était peut-être pas le meilleur nom. Barnes admet que la société a été trop occupée à transformer des barres métalliques en poudre pour faire grand-chose avec des polymères, mais a déclaré que le processus peut également être appliqué ici. C'est une excellente nouvelle pour Samuel Leguizamon, qui s'y connaît en polymère. En fait, en rencontrant ce scientifique senior des laboratoires nationaux Sandia basés à Albuquerque, vous pourriez être accueilli par "Sam est le nom, les matériaux polymères avancés sont le jeu".

Comme pour MPW, Leguizamon se concentre sur l'impression 3D. Et bien qu'une grande partie de son temps soit consacrée au développement de boues et de résines pour le traitement d'écriture directe à l'encre (DWI), il aime tous les polymères de la même manière. Lorsqu'on lui a demandé comment il s'y prenait pour inventer un nouveau matériau, la réponse de Leguizamon n'était pas surprenante : « Cela dépend de l'application. Le polymère doit-il dissiper la chaleur ou le rayonnement ? Quelles sont les exigences mécaniques ? Les molécules se réticulent-elles ?

"Une fois que vous avez répondu à autant de ces questions que possible", a-t-il poursuivi, "il est temps de synthétiser ou, espérons-le, d'acheter les matières premières nécessaires à la fabrication d'une formulation initiale. Vous analyserez ensuite ses différentes propriétés, ajusterez au besoin, et une fois que tout sera aussi proche que possible de ce que vous souhaitez, imprimez quelques pièces de test. C'est souvent un processus très itératif".

Actuellement, Leguizamon n'utilise aucun outil logiciel pour ce processus, mais il a déclaré que c'était "certainement un énorme domaine d'intérêt" pour lui et d'autres dans le monde du développement des matériaux.

C'est de la musique aux oreilles de Greg Mulholland, PDG de Citrine Informatics Inc., qui a aidé à fonder l'entreprise en partant du principe que là où les outils de conception 3D tels que la CAO et l'IAO ont révolutionné la conception géométrique des produits physiques, personne n'avait encore développé les outils logiciels nécessaires pour concevoir les matériaux réels utilisés dans ces produits. C'était il y a 10 ans, et la société basée à Redwood City, en Californie, est en bonne voie pour changer cette situation malheureuse.

"Il y a eu beaucoup de discussions au cours de la dernière décennie et demie sur l'utilisation de logiciels pour concevoir des matériaux, mais jusqu'à présent, personne n'a vraiment réussi à le faire de manière significative", a reconnu Mulholland.

Historiquement, les fabricants ont développé de nouveaux matériaux en modifiant ceux qui existaient déjà, a-t-il expliqué. Les entreprises peuvent avoir besoin d'un adhésif qui adhère mieux à des températures froides ou d'un alliage un peu plus dur ou plus ductile, qu'elles produisent ensuite en utilisant le processus itératif que nous venons de décrire - par essais et erreurs, en travaillant à partir de ce que vous savez et en faisant des suppositions éclairées.

"Mes co-fondateurs et moi avons créé une plate-forme qui rassemble les données sur les matériaux et l'apprentissage automatique, permettant à l'utilisateur d'effectuer ce qu'un financier appellerait des analyses de simulation", a déclaré Mulholland. "Vous pouvez vous dire : 'Si mes objectifs en matière de propriétés matérielles sont X, quels paramètres de processus, éléments d'alliage ou réglages chimiques puis-je utiliser pour atteindre ce résultat ?' Vous pouvez ensuite brancher ces variables dans notre logiciel et itérer virtuellement plutôt que physiquement jusqu'à ce que vous obteniez les résultats souhaités."

Josh Tappan, directeur marketing de Citrine, a noté que de nombreux fabricants sont confrontés à des conflits entre les performances, les préférences des consommateurs et la pression réglementaire. Les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) en sont un exemple notoire. Ces revêtements polyvalents résistent à la chaleur, aux huiles et à l'eau. On les trouve dans tout, des vêtements aux ustensiles de cuisine, mais selon les Centers for Disease Control, les PFAS sont également un produit chimique permanent qui s'accumule au fil du temps et est soupçonné de causer une gamme d'effets néfastes et graves sur la santé.

"Comme pour le BPA [bisphénol A], les matériaux que nous avons utilisés dans le passé ne seront plus autorisés très longtemps, c'est pourquoi les fabricants de produits chimiques et de métaux ont besoin d'un moyen plus rapide et plus rentable de formuler des matériaux de nouvelle génération", a-t-il déclaré. "La bonne nouvelle est que nous sommes capables de contrôler les structures matérielles mieux aujourd'hui que jamais auparavant, au point que nous pouvons littéralement manipuler des atomes individuels. Le problème devient alors de savoir comment évaluer ces nouvelles structures et déterminer leurs caractéristiques de performance sans de longs tests."

Mulholland a accepté, ajoutant que l'industrie des matériaux n'a jamais été très douée pour l'optimisation multi-objectifs. "Tout le monde veut plus léger et plus fort, et bien que les deux soient faciles à réaliser par eux-mêmes, combiner les deux est assez difficile", a-t-il ri.

Mulholland travaillait pour une entreprise qui fabriquait du nitrure de gallium, un matériau semi-conducteur utilisé pour les diodes électroluminescentes bleues. À l'époque, le matériau était considéré comme la meilleure solution pour une grande variété d'applications.

"Si vous m'aviez demandé à l'époque quel (était) le meilleur matériau pour les forets, les ampoules ou les protège-tibias des joueurs de football de la Coupe du monde, j'aurais répondu le nitrure de gallium", a déclaré Mulholland.

Ce n'est plus le cas, grâce aux progrès récents qui ont conduit à plus d'alternatives. "Notre logiciel permet aux entreprises de tirer parti de l'expertise de leurs employés, mais de l'élargir à des domaines au-delà de ceux dans lesquels ils sont habitués à travailler", a confié Mulholland. "Parce que, franchement, nous avons récemment connu un changement générationnel dans les exigences opérationnelles et avons besoin de nouveaux matériaux pour atteindre les objectifs que nous, en tant que société, devons accomplir. C'est ce que nous apportons à la table."

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