Comment le cuivre, les diamants et la mise en forme des faisceaux révolutionnent l'impression 3D
15 mai 2025 | Temps de lecture : 5 min
Dans un épisode passionnant de l'Additive Snack Podcast, l'animateur Fabian Alefeld a engagé une discussion riche avec trois personnalités de l'université de Wolverhampton, au Royaume-Uni : le professeur Arun Arjunan, le responsable de la commercialisation de FA , John Robinson, et l'associé chargé de l'échange des connaissances, Manpreet Singh.
Cette conversation a mis en lumière le parcours impressionnant de l'université depuis 25 ans dans le domaine de la fabrication additiveFA, en présentant ses recherches pionnières, ses collaborations industrielles importantes et son engagement en faveur du développement de la main-d'œuvre.
Un héritage d'innovation : 25 ans de fusion laser en lit de poudre
L'université de Wolverhampton est l'une des premières institutions universitaires à avoir adopté la fusion laser sur lit de poudre, en commençant ses travaux en 1999. Le professeur Arun Arjunan a détaillé la longue histoire de l'université, principalement axée sur les métaux, et son expertise en matière de création de paramètres de processus pour les matériaux difficiles. Parmi ses premières réalisations, on peut citer un travail de pionnier dans l'impression du titane pour des applications dans l'aérospatiale et le sport automobile.
John Robinson, dont le parcours au sein de l'université a débuté en 2009 en tant qu'étudiant de premier cycle, a partagé son expérience pratique avec une gamme de machines EOS, du premier EOS M 250 au EOS M 290 et le récent système AMCM NLight.
Il a souligné le rôle de l'université, qui a été l'une des premières à traiter le titane, ce qui a nécessité des adaptations spéciales pour la machine EOS M 270. Le parcours professionnel de M. Robinson, qui comprend des séjours dans l'industrie chez Jaguar Land Rover et Cookson Gold (développement de paramètres laser pour les métaux précieux), l'a finalement ramené à Wolverhampton, où il s'est concentré sur le développement de paramètres pour le cuivre et l'argent, des matériaux connus pour leur réflectivité difficile avec les lasers infrarouges.
Repousser les limites : Du cuivre aux composites cuivre-diamant
Les travaux novateurs de l'université sur les matériaux hautement conducteurs, en particulier le cuivre, ont constitué un fil conducteur important de la discussion.
Les travaux de thèse de John Robinson sur les alliages cuivre-argent ont permis pour la première fois d'imprimer du cuivre en utilisant moins de 400 watts. Cette expertise s'est avérée précieuse dans le cadre d'un partenariat de transfert de connaissances avec AceOn, un fabricant de batteries. L'équipe universitaire a mis au point des dissipateurs thermiques en cuivre fabriqués de manière additive et dotés de surfaces minimales triples et périodiques (TPMS). Ces dissipateurs optimisés ont considérablement amélioré la gestion thermique des batteries, en particulier dans les environnements à température ambiante élevée.
La conversation s'est ensuite orientée vers un matériau encore plus novateur : un composite cuivre-diamant. John Robinson a expliqué que ce développement, dont le brevet est en cours d'homologation, est le fruit d'une collaboration avec Diamond Hard Surfaces, une société spécialisée dans les procédés de revêtement en diamant.
Le diamant, dont la densité est deux fois inférieure à celle du cuivre mais dont la conductivité thermique est quatre fois supérieure, offre un immense potentiel pour des solutions de gestion thermique légères et performantes dans des applications telles que les véhicules électriques. Le diamant est inerte sur le plan électrique, ce qui signifie qu'en contrôlant le rapport cuivre/diamant, les propriétés thermiques et électriques peuvent être adaptées à des applications spécifiques, telles que les isolants pour les appareils électroniques qui nécessitent toujours une dissipation thermique efficace.
Fait remarquable, M. Robinson a suggéré que ce matériau composite n'était pas aussi cher que le cuivre atomisé et qu'il offrait une meilleure conductivité thermique et des propriétés électriques intéressantes pour un coût et un poids potentiellement moindres. Le professeur Arjunan a souligné que ces matériaux ne sont pas seulement des alternatives, mais des solutions aux obstacles fondamentaux du développement technologique, permettant des appareils électroniques plus petits, plus légers et plus puissants.
Le Centre d'excellence : Façonner l'avenir de l'FA
Le Centre d'excellence pour la fabrication additive récemment lancé à l'université de Wolverhampton est prêt à s'attaquer aux principales limites de la technologie actuelle de FA . Il se concentrera principalement sur la "fusion de lit de poudre par laser de forme" (SLPBF), en utilisant des lasers NLight innovants qui peuvent faire varier le profil du faisceau d'un point unique à une forme d'anneau.
Cela revient à utiliser un petit pinceau pour les coins et un rouleau pour les grandes surfaces, ce qui permet d'obtenir des détails fins là où c'est nécessaire et d'augmenter considérablement la vitesse de production (potentiellement une augmentation de 200 % du diamètre du point) pour les grandes sections. Le Centre vise à étendre sa méthodologie établie pour développer les paramètres du processus, en incorporant la productivité et le coût comme variables clés, au même titre que la qualité et la densité.
Sur le plan matériel, le centre se concentrera sur les matériaux hautement conducteurs, en tirant parti de son succès avec l'impression de cuivre à faible puissance. Un deuxième pilier sera l'impression multi-matériaux, combinant des métaux conducteurs avec des isolants, le cuivre-diamant en étant un excellent exemple. Le troisième pilier se concentre sur les matériaux thermoélectriques. Si ces matériaux peuvent être fabriqués de manière additive, en exploitant la liberté de conception, ils pourraient devenir viables pour la récupération d'énergie ou les échangeurs de chaleur avancés, ce qui aurait un impact sur la prochaine génération d'ordinateurs, la défense et les véhicules électriques en permettant des moteurs électriques plus petits et plus denses en puissance où la dissipation de la chaleur est le facteur limitant.
Impact industriel et développement de la main-d'œuvre
Manpreet Singh a souligné l'engagement de l'université à commercialiser ses recherches et à permettre à l'industrie d'accéder aux systèmes d'FA Elle poursuit activement des partenariats d'échange de connaissances et des collaborations avec des industries locales et nationales dans des secteurs tels que l'automobile, la fabrication de batteries et les soins de santé (par exemple, des implants spécifiques au patient en cobalt-chrome avec des structures TPMS).
Consciente du manque de compétences dans le domaine de l'FA, l'université propose des cours théoriques et des cours de développement du progrès continu. Ces programmes, élaborés en partenariat avec des entités telles qu'EOS Additive Minds, s'adressent à différents niveaux de compétences, des débutants n'ayant aucune expérience de l FA à ceux qui recherchent une formation pratique sur des systèmes avancés tels que les machines EOS M 290
Cette initiative vise à renforcer les compétences de la main-d'œuvre et à donner aux entreprises la confiance nécessaire pour adopter l'FA. John Robinson a ajouté que l FA était fortement intégrée dans d'autres cursus, et que des discussions étaient en cours en vue d'un cours de maîtrise FA. La recherche doctorale est également étroitement liée à ces projets avancés, avec notamment des étudiants travaillant sur le matériau cuivre-diamant et des doctorats prévus pour le développement du laser de forme du tantale et du molybdène.
Une vision plus large : L FA pour un avenir durable et résilient
La discussion a également porté sur le rôle de la FA dans la durabilité, l'allègement et le potentiel de fabrication redistribuée. Le professeur Arjunan a souligné la façon dont l FA peut créer des métamatériaux aux performances ciblées à l'échelle micro/submicronique, ce qui est crucial pour les dispositifs de soins de santé de la prochaine génération, tels que les implants spécifiques aux patients qui imitent les performances osseuses naturelles. Il a également envisagé la FA comme une technologie capable de créer des matériaux ciblés dont les propriétés sont déterminées par les interactions laser-matériau plutôt que par la simple géométrie, ce qui pourrait révolutionner les échangeurs de chaleur et les composants électroniques.
Pour l'avenir, l'équipe considère que l'FA est essentielle à la relocalisation et à la fabrication distribuée, permettant à la conception et au développement des matériaux de se faire à l'échelle mondiale, tandis que la fabrication se fait à proximité de la consommation.
L'approche globale de l'université de Wolverhampton - de la science fondamentale des matériaux et du développement des processus à l'application industrielle, en passant par la formation de la main-d'œuvre et l'influence sur la politique grâce à sa participation aux normes britanniques et au groupe FA de l'AMTA - la positionne comme une force vitale dans l'évolution du paysage de l'FA , non seulement au Royaume-Uni, mais aussi dans le monde entier.
Connectez-vous et apprenez-en plus :
Pour ceux qui souhaitent en savoir plus sur le travail de l'Université de Wolverhampton ou entrer en contact avec l'équipe :
Écouter l'épisode complet du podcast Additive Snack.
- Professeur Arun Arjunan : LinkedIn, Google Scholar, ResearchGate
- John Robinson : LinkedIn, ResearchGate
- Manpreet Singh : Google Scholar, ResearchGate
