Comprendre la tribologie dans la fabrication additive

La tribologie, science de la friction, de l'usure et de la lubrification, est un facteur critique lorsque les composants de fabrication additive (AM) entrent en service. Contrairement aux pièces usinées conventionnellement, les surfaces imprimées en 3D présentent souvent une rugosité élevée, des microstructures directionnelles et une porosité interne qui modifient directement la mécanique de contact.

Chaque couche laisse une texture en marche, et la résistance de la liaison entre les couches est rarement isotrope. Par conséquent, la performance tribologique d'un composant AM peut varier considérablement en fonction de l'orientation de la construction, de la hauteur de la couche et de l'historique thermique. Par exemple, un engrenage imprimé avec des couches parallèles à la direction de glissement peut présenter une friction inférieure à un avec des couches perpendiculaires, mais les deux différeront d'un engrenage usiné du même matériau.

Les défauts internes tels que la porosité de la non-fusion ou les particules de poudre non fondues agissent comme des agents de stress et usure des sources de débris. Pendant le contact coulissant, ces défauts peuvent s'effacer, libérant des particules dures qui causent une usure abrasive de trois corps. Les contraintes résiduelles de traction, communes dans les processus laser, affaiblissent davantage les régions subsurfaces, favorisent la délamination de fatigue.

Rouille de surface et microstructure dans les composants AM

Topographie de surface

Les parties AM ont généralement une rugosité de surface (valeurs de RA) allant de 5 à 30 μm, comparativement à 0,1–1,6 μm pour les surfaces usinées. Cette rugosité découle de l'effet de marche de l'escalier, des particules partiellement fondues qui adhèrent à la surface extérieure et des restes de marque de support.

Dans les conditions complètement inondées, la rugosité modifie l'épaisseur du film élastohydrodynamique, souvent en le réduisant. Par conséquent, la conception tribologique doit tenir compte de la rugosité telle que construite ou préciser les étapes post-traitement comme la finition vibratoire, le polissage chimique ou la refondation laser.

Anisotropie microstructurale et défauts

La solidification rapide et le cycle thermique en AM créent des microstructures non-équilibres avec des grains dendritiques fins, la croissance des grains colonnes et, dans les métaux, les phases martensitiques ou bainitiques. Cette anisotropie signifie des propriétés mécaniques – et donc une résistance à l'usure – qui se différencient le long de la direction de construction (Z) par rapport à la direction de l'intérieur du plan (X,Y).

La porosité, un problème courant dans la fusion de la couche de poudre et le dépôt d'énergie dirigé, réduit la capacité portante et sert de sites d'initiation de fissures sous des contraintes cycliques de contact. Les niveaux de porosité typiques varient de <0.5% in optimized processes to > à 5 % dans des conditions mal contrôlées. Les pores près de la surface peuvent s'effondrer sous une charge coulissante, produisant des cratères qui accélèrent l'usure.

Mécanismes de friction et d'usure dans les composants additifs

Port abrasif

Dans les composants AM, les particules de poudre non fondues (par exemple Ti6Al4V ou acier inoxydable 316L) qui restent faiblement attachées peuvent se détacher pendant le glissement et agir comme abrasifs du tiers corps. De plus, les couches de surface oxydées dans la fusion par faisceau d'électrons peuvent produire des particules d'oxyde dur. La rugosité initiale élevée signifie que même après l'éclatement, la surface peut retenir des pics aigus qui abrasent la contreface.

Port d'adhésif

L'usure par adhésif est entraînée par le soudage à froid local à des aspérités contactées. La haute énergie de surface des surfaces métalliques telles que la construction, combinée à la contamination par la poudre résiduelle, peut favoriser les films de transfert. Dans le polymérisé AM, comme la fabrication de filaments fondus (FFF), la cohésion intercouche inférieure permet de provoquer des contraintes de cisaillement entre les couches, ce qui entraîne un transfert brut vers la contreface.

Port de fatigue (piégeage et éclaboussures)

Dans les contacts de laminage ou oscillants, les cycles de contrainte subsurface conduisent à l'initiation de la fissure, souvent à pores ou à faibles limites intercouches. Les fissures se propagent parallèlement à la surface, entraînant éventuellement des déversements de matériaux. Pour les engrenages et roulements AM, la durée de vie des piquets peut être de 20 à 50% inférieure à celle des composants équivalents sans optimisations de traitement.

Port corrosif et oxydant dans les milieux AM

De nombreux composants AM fonctionnent dans des environnements agressifs, c'est-à-dire des compartiments de moteurs aérospatials, des procédés chimiques ou des implants biomédicaux. La surface élevée des surfaces brutes AM augmente les taux de corrosion et les cellules galvaniques formées entre différentes phases peuvent accélérer l'attaque locale. L'usure oxydative à des températures élevées (p. ex. dans les alliages cobalt-chromium) est influencée par l'échelle d'oxyde protectrice.

Sélection de matériel pour la performance tribologique dans AM

Métaux et alliages

Les métaux AM communs comprennent les alliages de titane (Ti‐6Al‐4V), les aciers inoxydables (316L, 17‐4PH), les aciers à outils (H13, acier maraging) et les superalliages à base de nickel (Inconel 718, 625). Leur comportement tribologique varie grandement. Par exemple, Ti‐6Al‐4V a une faible résistance à l'usure coulissante due à une forte adhérence et à un faible durcissement au travail, nécessitant souvent des revêtements durs (p. ex. TiN, DLC) pour les pièces mobiles.

Polymères et composites

Le polyamide (PA), le PEEK, le PEKK, le polycarbonate et les filaments renforcés (carbone ou verre) sont des éléments de la fabrication de frittage laser sélectif. Le PEEK présente une excellente résistance à l'usure et une faible friction même sans lubrification, mais son point de fusion élevé nécessite un contrôle minutieux du processus. Le PA12 rempli de verre réduit la friction et l'usure jusqu'à 60% par rapport au PA soigné.

Céramiques et cermets

Les techniques basées sur le laser nécessitent un préchauffage pour minimiser les chocs thermiques. Une fois imprimées, les céramiques offrent une dureté et une résistance chimique élevées, ce qui les rend aptes à résister à l'usure des inserts et des matrices. Les Cermets combinent ténacité du liant métallique avec dureté des particules céramiques et AM permet un quasi-net-shaping d'outillage complexe.

Stratégies pour atténuer les défis tribologiques

Traitements et revêtements de surface

La post-traitement est essentielle pour de nombreux composants AM destinés au service tribologique. Les techniques courantes sont les suivantes :

  • Peinture de surface : Les méthodes mécaniques, chimiques ou électrochimiques réduisent la rugosité à <1 μm Ra, ce qui réduit le frottement et l'usure.
  • Laser refondage de surface:[ un deuxième balayage laser fait fondre une mince couche de surface pour éliminer la porosité et homogénéiser la microstructure, augmentant la dureté de 10 à 30%.
  • Les revêtements à chaud: les dépôts physiques de vapeur (PVD) de TiN, CrN ou DLC réduisent les coefficients de frottement à 0,1–0,2 et améliorent la résistance à l'usure par ordre de grandeur.
  • Enduits lubrifiants:[ Les revêtements MoS2, WS2 ou PTFE offrent une faible résistance au cisaillement à l'interface, particulièrement avantageux en lubrification sèche ou aux limites.
  • Nitruration et carburisation: les traitements de diffusion améliorent la dureté de surface et la résistance à la fatigue pour les pièces en acier AM.

Stratégies de lubrification

Pour les composants AM, la rugosité de surface élevée peut entraver la formation d'un film lubrifiant continu. L'utilisation d'huiles à viscosité supérieure ou l'ajout d'additifs à pression extrême (EP) aide à maintenir la séparation. Des lubrifiants solides, comme le graphite ou le MoS2, peuvent être incorporés dans les pores de surface ou appliqués comme films collés. En polymère AM, les matériaux autolubrifiants comme les filaments remplis de PTFE éliminent complètement le besoin de lubrifiants externes.

Optimisation de la conception pour la tribologie

L'intégration de la pensée tribologique au début de la phase de conception procure des avantages importants.

  • Sélection d'orientation de construction:[ orienter les surfaces coulissantes critiques perpendiculaires à la direction de construction pour minimiser la rugosité de l'escalier et maximiser la résistance entre les couches.
  • Canaux de refroidissement formels: en métal AM, intégrant les canaux de lubrification directement dans le composant réduit les températures de fonctionnement et améliore la distribution de lubrifiant.
  • Réserves et textures lubrifiantes: impression de micro-douilles ou de rainures sur la surface qui agissent comme poches lubrifiantes, particulièrement efficaces dans des conditions de lubrification avec faim.
  • Structures graduées:[ utilisant plusieurs matériaux ou porosité graduée pour adapter la dureté et la ténacité de surface dans différentes régions d'un composant.
  • Optimisation de la topologie : réduire le poids tout en maintenant la rigidité peut réduire les contraintes de contact aux interfaces, améliorant indirectement la durée de vie de l'usure.

Contrôle des paramètres de processus

Pour la fusion de la couche de poudre laser, réduire la hauteur de la couche (p. ex. de 60 à 30 μm) réduit la rugosité de la surface jusqu'à 40 %. Optimiser la puissance laser, la vitesse de balayage et l'espacement des écoutilles minimise la porosité et les contraintes résiduelles. Préchauffer la plate-forme de construction réduit les gradients thermiques, améliore la liaison entre les couches et réduit les fissures.

Considérations tribologiques particulières à l'application

Aéronautique

Les composants AM des moteurs d'aéronef et des trains d'atterrissage subissent des charges élevées, des températures élevées et des environnements agressifs.Par exemple, les buses de carburant AM doivent résister à l'érosion et à l'oxydation de la cavitation.Les revêtements tels que les revêtements de barrière thermique à base de céramique (TBC) sont souvent appliqués pour réduire l'usure thermique.Les exigences de sécurité rigoureuses exigent des essais tribologiques approfondis – fatigue de déclenchement et essais de glissement à haute température – avant certification.

Automobile

Pour les pièces de production, les performances tribologiques doivent correspondre ou dépasser les pièces moulées/machines conventionnelles. L'optimisation de la topologie réduit l'inertie et les forces de contact, mais aussi modifie les habitudes d'usure. Dans les polymères AM, comme les engrenages PA12 pour applications à faible couple, la durée de vie de l'usure est dominée par l'accumulation de chaleur par frottement. L'ajout de rainures de réduction de frottement (p. ex. PTFE ou graphite) améliore les performances. Une étude publiée dans Tribology International a démontré que les engrenages PEEK imprimés par FFF montrent des taux d'usure comparables à ceux des PEEK usagés après optimisation de l'orientation de la couche.

Biomédical

Cependant, l'interface tribologique (p. ex. tête fémorale contre coupe acétabulaire) nécessite une faible usure pour éviter l'inflammation causée par les débris. Enrober des alliages de titane AM avec DLC ou utiliser des liners acétabulaires composites (UHMWPE-graphène) réduit les taux d'usure.La rugosité de surface inférieure à 0,2 μm est généralement nécessaire pour l'articulation des articulations.

Outils et équipements industriels

Les canaux de refroidissement conformes AM dans les moules à injection améliorent la gestion thermique, mais la surface du moule souffre souvent d'usure abrasive des matières premières en plastique. Des revêtements rigides ou du nitrituration sont appliqués pour prolonger la durée de vie des outils. Les inserts résistants à l'usure des outils de coupe peuvent être imprimés à partir de WC‐Co ou de cermets.

Orientations futures et recherche continue

Le domaine de la tribologie dans la fabrication additive évolue rapidement. Plusieurs pistes de recherche prometteuses visent à combler l'écart de performance avec les pièces produites conventionnellement:

  • Contrôle tribologique in situ : encastrant des capteurs pendant l'impression pour surveiller le frottement et la température aux surfaces de construction, permettant le réglage en temps réel des paramètres.
  • Matériaux gradués et fonctionnels: pièces d'impression avec une couche de surface résistante à l'usure et un noyau dur, évitant le besoin de revêtements séparés.
  • Alliages métalliques autolubrifiants:[ développant des filaments métalliques avec des lubrifiants solides intégrés (p. ex., graphite, MoS2) qui sont libérés pendant le glissement.
  • Machine d'apprentissage pour la prédiction tribologique:[ utilisant des données de milliers de tests d'usure pour prédire des paramètres de construction optimaux et des combinaisons de matériaux pour des applications tribologiques spécifiques.
  • Processus hybrides: combinant AM avec des étapes post-traitement comme le traitement par brassage à friction ou le traitement par ultrasons pour affiner la microstructure de surface et réduire la porosité.

Les efforts de collaboration entre les tribologues et les ingénieurs de fabrication additive sont essentiels pour normaliser les méthodes d'essai et élaborer des lignes directrices de conception. À mesure que la technologie mûrit, les défis tribologiques deviendront moins un obstacle à l'adoption.

Conclusion

Les défis tribologiques dans la fabrication additive sont multiples, découlant des surfaces intrinsèquement rugueuses, des microstructures anisotropes et des défauts internes des composants tels que construits. Les mécanismes de friction et d'usure – abrasif, adhésif, fatigue et corrosif – peuvent dégrader les performances et limiter la durée de vie opérationnelle. Cependant, grâce à une sélection minutieuse des matériaux, à des paramètres optimisés des procédés, à des traitements de surface, à la lubrification et à des stratégies de conception, ces défis peuvent être systématiquement atténués.