Les failles de la fabrication additive sous l’œil de FRACADDI

Recherche Défense & Sécurité, Transport et mobilité
Machine de fabrication additive métallique 3D BeAM ENSTA/École polytechnique

La fabrication additive, autre nom de l’impression 3D industrielle, désigne l’ensemble des procédés permettant de fabriquer une pièce par ajout successif de matière à partir d’un modèle numérique. Grâce aux propriétés particulières des pièces ainsi produites et à la grande souplesse de conception qu’elle autorise, la fabrication additive prend une part grandissante dans des domaines industriels de pointe comme l’aéronautique, la défense ou encore l’énergie. Mais ces composants sont-ils aussi résistants que ceux produits par des techniques plus traditionnelles comme l’usinage ou la forge ? C’est tout l’enjeu de FRACADDI, un programme de recherche mené au sein de l’IMSIA, un des 13 laboratoires de l’ENSTA.

Véronique Lazarus, professeure ENSTA et chercheuse au sein de l’IMSIA, est la responsable scientifique du projet de recherche FRACADDI, financé par l’Agence de l’innovation de défense par le biais du CIEDS. 

Dès sa sortie de thèse en 1997, Véronique Lazarus est devenue spécialiste de la mécanique de rupture et de la propagation de fissures en trois dimensions. Cette expertise reconnue lui a notamment valu d’être la première femme à se voir décerner par l’Académie des sciences le prix ONERA-Sciences mécaniques pour l’aéronautique et l’aérospatiale en 2023.

Alors que la réduction des émissions de gaz à effet de serre devient un impératif face à l’urgence climatique, la question se pose de savoir s’il est possible d’optimiser les marges de sécurité, notamment dans le domaine aéronautique, et de consommer moins en affinant les modèles prédictifs. Pour atteindre l’objectif zéro carbone en 2050, l’extension de l’usage de la fabrication additive à des composants critiques est envisagée. Mais il convient de s’assurer que cela n’entraine pas de nouveaux risques.

Véronique Lazarus Professeure ENSTA et chercheuse au sein de l’IMSIA

Une des particularités de la fabrication additive est de produire des matériaux dont les propriétés varient selon l’orientation (anisotropie), et présentant des zones de composition, de structure ou de densité différentes (micro-hétérogénéité).
« Le comportement de ces matériaux en cas de fissures est encore mal compris » poursuit la chercheuse. Pour faire progresser cette compréhension, le projet FRACADDI se déploie selon deux axes, une approche expérimentale avec des essais réalisés sur des matériaux produits par fabrication additive, et une approche théorique par le biais de modèles numériques intégrant les particularités d’anisotropie et d’hétérogénéité de la fabrication additive.

Machine de fabrication additive métallique 3D BeAM ENSTA/École polytechnique

« Avec Flavien Loiseau, nous avons publié en juin dernier dans l’International Journal of Solids and Structures une étude dans laquelle nous avons analysé différentes méthodes pour simuler la propagation d’une fissure. Cette publication a fait date car elle permet une détermination très précise de l’avancée d’une fissure. Les logiciels open-access gcrack et fragma associés à cette publication, nous valent de nouvelles collaborations. »

Du côté expérimental, les travaux de thèse de Xinyuan Zhai ont mis en évidence le fait que dans les matériaux imprimés par dépôt de matière en fusion, le trajet de propagation des fissures n’est pas le même en chargement monotone qu’en chargement cyclique, en fatigue.

« En chargement cyclique, on ne voit pas l’effet de l’anisotropie, alors qu’en chargement monotone, la fissure voit la microstructure. On ne s’attendait pas à ces résultats » commente la chercheuse.

« Lorsque nous parlons avec des gens qui font de la maintenance aéronautique, leur problématique est de déterminer si une fissure observée risque de mener à une rupture fatale, et à partir de là, quand remplacer la pièce. Pour le moment les modèles actuellement utilisés supposent que le milieu est isotrope, et nos résultats expérimentaux confortent cette hypothèse. Mais nous ne savons pas encore à quel point on peut généraliser ce résultat » conclut Véronique Lazarus.

L’expérience montre en effet qu’au fil des ans, tous les composants critiques d’un avion, des ailes aux trains d’atterrissage, en passant par les moteurs et le fuselage, présentent des microfissures. L’utilisation de la fabrication additive dans ces éléments critiques rajoute de nouveaux questionnements. L’enjeu est de démontrer jusqu’à quel point il est possible de vivre avec ces défauts avant qu’ils ne deviennent dangereux. Et grâce au projet de recherche FRACADDI, on en sait désormais plus sur la question.

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