Fabrication et renforcement personnalisable du filet

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 16334 (2023) Citer cet article

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Les matériaux avancés, tels que les composites à matrice métallique (MMC), sont importants pour l'innovation, la sécurité nationale et la lutte contre le changement climatique. Les MMC sont utilisées dans les applications militaires, aérospatiales et automobiles en raison de leurs propriétés mécaniques et thermiques exceptionnelles, mais leur adoption a été lente en raison de processus de fabrication coûteux et onéreux. Un nouveau processus utilisant l’impression 3D de fabrication de filaments fondus a été développé pour créer des MMC de forme nette sans outillage ni usinage. Le processus consiste à imprimer une préforme en alumine, puis à utiliser une infiltration sans pression avec un alliage d'aluminium fondu pour former le composite. Des formes arbitraires peuvent être formées au cours de ce processus (un levier de frein et une bride sont présentés) et les propriétés peuvent être ajustées en faisant varier le motif géométrique du remplissage en céramique et la charge en céramique. En utilisant 35 % en volume de renfort en fibres continues, une résistance supérieure à 800 MPa et un module de 140 GPa sont obtenus pour le composite d'aluminium, soit 3,4 × et 2 × les propriétés de la matrice d'aluminium.

Les matériaux avancés revêtent une importance stratégique à l’échelle mondiale car ils sont considérés comme des catalyseurs clés de l’innovation, de la sécurité nationale et de la résolution de grands défis tels que le changement climatique1,2. Comme le souligne Deloitte dans son cadre Advanced Materials Systems, les matériaux avancés brisent les compromis existants entre coût et performance et seront nécessaires aux entreprises pour les intégrer dans leurs produits afin de rester compétitives3. Les composites à matrice polymère (PMC) sont des matériaux avancés salués pour leur adoption sur le marché2. Dans ceux-ci, une matrice polymère, généralement époxy, est renforcée avec des fibres de carbone, de verre ou de Kevlar™. Le composite résultant est un matériau léger, de haute résistance et de grande rigidité pour les avions, les éoliennes et les articles de sport hautes performances, entre autres applications. Cependant, comme le soulignent Maine et Garsney, cette innovation n’a été libérée que lorsque des innovations en matière de processus ont été développées, la rendant accessible aux fabricants4. Semblables aux PMC, les composites à matrice métallique (MMC) ont été fabriqués pour la première fois par Stuhrke il y a plus de 60 ans5. Cet article, décrit comme un pionnier des MMC modernes6, traite d'un composite lié par diffusion composé de cinq couches d'aluminium non allié renforcé avec 12 à 15 % de filaments de bore. Bien que les MMC soient utilisés dans des applications militaires (par exemple, blindages et munitions), aérospatiales (par exemple, composants de moteur, train d'atterrissage) et automobiles (par exemple, disques de frein)7,8,9,10,11,12,13, l'adoption est loin derrière les PMC en raison de difficultés de fabrication, en particulier de mise en forme des pièces MMC. En effet, le marché mondial des PMC en 2022 était estimé à 18,6 milliards de dollars14, tandis que le marché des MMC était estimé à seulement 2 % de ce montant (366 millions de dollars)15.

Dans une MMC, la matrice métallique est renforcée par des fibres et/ou des particules continues ou discontinues de carbone ou de céramique. Les composites à matrice d'aluminium (AMC) sont le type de MMC le plus courant et présentent des propriétés attrayantes qui n'ont pas été obtenues par les PMC. Par exemple, en raison de la matrice métallique, les AMC sont d'excellents conducteurs de chaleur et peuvent être utilisés à des températures beaucoup plus élevées tandis que, grâce au renforcement, ils présentent une dilatation thermique beaucoup plus faible, ont une rigidité et une résistance supérieures à température ambiante et élevée et présentent une excellente usure. résistance par rapport à l’aluminium non renforcé. Cependant, les AMC renforcés de céramique sont très difficiles à usiner à l’aide de méthodes conventionnelles et la difficulté augmente fortement à mesure que la fraction volumique de renforcement augmente16. En raison de ce défi, seules les technologies de fabrication en forme nette ou presque, telles que la métallurgie des poudres, le moulage par compression ou le moulage par infiltration sous pression, ont été des options de fabrication viables pour les composites hautement renforcés. Cependant, ces technologies nécessitent des équipements et outillages coûteux et spécifiques à la pièce fabriquée. Une technologie prometteuse pour fabriquer des MMC hautement renforcés est l’infiltration sans pression, où une préforme particulaire en céramique autoportante est placée dans un réservoir réfractaire rempli d’alliage aluminium-magnésium fondu dans un four à atmosphère d’azote17,18. Dans cette approche, un alliage fondu pénètre dans la préforme en céramique en raison des forces capillaires et, lors de la solidification de l'alliage, une pièce AMC est produite. Même si les moules ne sont pas nécessaires pour l'infiltration, cette technologie nécessite néanmoins un ensemble d'outillage pour le moulage ou le pressage de la préforme de renfort particulaire, ce qui la rend d'un coût prohibitif pour de nombreuses applications.