Le Dr Kyriakos Kourousis de l'UL discute de ses recherches actuelles sur la fabrication additive métallique et des travaux du groupe Plasticité métallique et fabrication additive de l'UL.
Le Dr Kyriakos Kourousis est professeur agrégé en génie aéronautique à l'Université de Limerick (UL), ainsi que directeur de la recherche postuniversitaire et de l'enseignement à la Faculté des sciences et de l'ingénierie de l'université. Il dirige également le groupe de plasticité métallique et de fabrication additive d'UL.
Kourousis a rejoint l'école d'ingénierie de l'UL il y a 12 ans et, avant sa carrière universitaire, il a passé plus d'une décennie en tant qu'ingénieur aéronautique dans l'armée de l'air hellénique, travaillant sur la maintenance, la navigabilité et l'intégrité structurelle des avions – une expérience qui, selon lui, façonne désormais sa recherche et son enseignement.
À l'UL, il enseigne des sujets autour des systèmes aéronautiques, de la navigabilité des aéronefs et de l'ingénierie pratique qui les sous-tend.
En ce qui concerne ses recherches actuelles, Kourousis affirme que ses travaux se concentrent sur deux choses : comment les métaux se comportent lorsqu'ils sont chargés de manière répétée, conduisant à une déformation permanente – « ce que les ingénieurs appellent la plasticité des métaux » – et comment fabriquer et faire confiance à des pièces métalliques imprimées en 3D (fabrication additive métallique), « en particulier pour les conditions de chargement qui provoquent de la plasticité ».
« En termes simples, nous testons les métaux, étudions leur microstructure, construisons des modèles informatiques qui prédisent leurs performances au fil du temps et utilisons ces modèles pour prédire comment les déformations permanentes se développent au cours de leur fonctionnement », explique-t-il à SiliconRepublic.com.
« La déformation permanente localisée (plasticité) est à l'origine de la fatigue des métaux. Mon travail porte à la fois sur des métaux traditionnels et sur des métaux imprimés en 3D. »
Kourousis nous parle ici de son travail et nous propose un aperçu du monde des matériaux imprimés en 3D et de l'ingénierie aéronautique.
Pourquoi vos recherches sont-elles importantes ?
À mesure que les pièces métalliques imprimées en 3D passent des prototypes aux avions et machines réels, nous devons prédire leur comportement avec confiance. Les données et modèles expérimentaux aident les ingénieurs à concevoir des pièces qui ne se fissureront pas ou ne tomberont pas en panne prématurément, et aident l'industrie et les régulateurs à rassembler les preuves nécessaires à la certification. En bref, de meilleures prévisions signifient des produits plus sûrs, plus légers et plus efficaces.
De plus, du point de vue de la durabilité, l’utilisation et la réutilisation de poudre dans la fabrication additive métallique offrent un avantage important par rapport aux autres procédés de fabrication (traditionnels). Cependant, à chaque cycle de réutilisation, la poudre recyclée change de synthèse et de « qualité » globale, ce qui peut avoir un effet sur les pièces produites, notamment en termes de comportement plasticité.
Quelle a été la réalisation ou la découverte la plus surprenante/intéressante que vous ayez découverte dans le cadre de cette recherche ?
L’une des découvertes clés concerne la manière dont les métaux imprimés en 3D peuvent être directionnels et les causes de cette directionnalité. Par exemple, nous avons montré que la modification de l’orientation de la construction et le traitement post-impression 3D des pièces en acier via des traitements thermiques peuvent sensiblement modifier leur étirement et leur élasticité. Nous avons observé des effets similaires dans le titane imprimé en 3D, en particulier le Ti‑6Al‑4V, largement utilisé dans les industries aérospatiale et biomédicale.
Nous avons également constaté que même les méthodes d'impression 3D métal les moins coûteuses (comme l'extrusion de matériaux/la fabrication de filaments fondus) montrent des liens évidents entre les paramètres d'impression et les performances mécaniques, ce qui est utile pour les petites et moyennes entreprises qui explorent la fabrication additive métallique abordable.
Quelles sont les idées fausses courantes concernant votre domaine de recherche ?
Les métaux imprimés en 3D ne sont pas « comme » les métaux (forgés) traditionnels. Le processus couche par couche crée un « grain » directionnel, de sorte que les propriétés changent avec la direction de construction, comme le montrent clairement nos travaux sur l'acier et le titane. Les signatures de processus sont importantes. L’impression peut laisser de minuscules pores (manque de fusion ou trou de serrure) et des contraintes résiduelles bloquées ; le réglage de la stratégie d'analyse et de l'énergie est utile, mais ces caractéristiques entraînent toujours la plasticité et la fatigue si elles ne sont pas gérées.
Un débat intéressant que j'ai avec des collègues travaillant dans la science des matériaux est que le matériau imprimé en 3D peut apparaître comme ayant des caractéristiques uniformes à l'échelle microscopique, mais les défauts à plus grande échelle provoqués par la fusion-solidification et la refusion peuvent conduire à une pièce assez non homogène avec des propriétés mécaniques différentes dans différentes directions de chargement (anisotropie mécanique).
Le post-traitement peut boucler la boucle. Le vieillissement/détensionnement et surtout le pressage isostatique à chaud (HIP) homogénéisent la microstructure et scellent les pores, augmentant ainsi la ductilité et la fatigue, bien que les résultats dépendent de la qualité telle que construite et du budget disponible. L’un des objectifs clés de l’industrie manufacturière est de rendre l’impression 3D non seulement précise et cohérente, mais également abordable, et nous constatons qu’il y a encore du travail à faire dans ce domaine.
Quelle a été l’évolution la plus marquante dans votre domaine depuis le début de votre carrière universitaire ?
Le grand changement réside dans la fusion d’équipements d’impression 3D métalliques accessibles avec une modélisation avancée basée sur la physique.
Chez UL, une étape importante a été l'obtention d'une imprimante 3D métal GE Concept Laser Mlab Cusing R grâce à un prix GE Additive. Contrairement à d'autres institutions irlandaises, notre imprimante 3D est hébergée dans un environnement industriel, grâce à un accord de collaboration avec notre partenaire Croom Medical. Nos étudiants et chercheurs peuvent tester des idées dans des conditions réalistes, tandis que UL et Croom Medical tirent parti des avantages de ce partenariat stratégique.
Pouvez-vous me parler un peu du groupe Metal Plasticity and Additive Manufacturing chez UL ?
Notre groupe de recherche dirige l’activité de recherche sur la fabrication additive métallique en UL.
Notre travail s'articule autour de deux axes principaux : la modélisation de la plasticité des métaux, où nous transformons les données de laboratoire en modèles fiables de la façon dont les métaux se déforment réellement ; et la fabrication additive métallique, où nous étudions et améliorons des métaux tels que le titane et l'acier, traduisant les résultats en directives pratiques de construction et de traitement thermique. Les projets en cours et les travaux des étudiants couvrent la prévision du rendement fondée sur la physique pour l'acier 316L, la fusion laser sur lit de poudre (la méthode de fabrication additive la plus largement utilisée pour les métaux), l'optimisation des processus et les sujets de plasticité cyclique de corrosion pour les alliages de qualité aérospatiale.
Un travail récent intéressant a consisté à montrer qu'en réajustant soigneusement la puissance du laser, la vitesse de balayage et l'espacement des hachures, nous pouvons passer des paramètres habituels de couche mince à des couches beaucoup plus épaisses dans la fusion laser sur lit de poudre de titane de qualité aérospatiale, tout en gardant le processus stable et les pièces denses. Dirigée par l'un de nos doctorants qui travaille également avec Croom Medical, l'étude a montré que ces couches plus épaisses offraient une résistance et une ductilité comparables aux paramètres conventionnels, ce qui indique que la productivité peut augmenter sans que les performances des matériaux soient automatiquement affectées.
Plus important encore, après un traitement thermique sous vide standard et un pressage isostatique à chaud, les pièces satisfaisaient aux normes industrielles en vigueur, ouvrant la voie à une voie pratique vers un débit plus élevé qui répond toujours aux attentes de certification.
