Créer des matériaux sur mesure grâce à la fabrication additive

Et si un même matériau pouvait être souple à un endroit, rigide à un autre et résister à des conditions extrêmes, sans compromis? C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux d’Alena Kreitcberg, professeure à l’ÉTS, qui développent de nouveaux matériaux métalliques aux propriétés personnalisées grâce à la fabrication additive.

Contrairement aux matériaux traditionnels dont les propriétés sont généralement uniformes dans toute la pièce, la chercheuse s’intéresse à des matériaux non homogènes, capables de s’adapter localement à leur environnement selon l’application. Ces matériaux, encore inexistants récemment, ouvrent la voie à des applications inédites en aéronautique, en transport, en énergie ou encore en biomédecine.

Des matériaux qui s’adaptent à leur fonction

Au cœur des recherches d’Alena Kreitcberg se trouvent les matériaux métalliques à gradients de fonction. L’idée est simple, mais révolutionnaire : concevoir une même pièce dont les propriétés mécaniques varient d’un point à l’autre. Une zone peut ainsi être plus ductile, donc plus « souple », tandis qu’une autre est plus rigide ou plus résistante à la chaleur.

« Avant, on était contraints de faire des compromis, explique la professeure. Aujourd’hui, on peut concevoir un matériau qui répond précisément aux besoins locaux de l’application. »

Cette approche est rendue possible grâce à la fabrication additive par fusion sur lit de poudre au laser (LPBF), entre autres. Ce procédé consiste à faire fondre localement une poudre métallique à l’aide d’un laser, couche par couche, pour former des pièces aux géométries complexes. En modifiant les paramètres de fabrication (notamment la puissance et la vitesse du laser) il devient possible de contrôler les conditions thermiques appliquées à la poudre.

Or, ces conditions thermiques (vitesse de refroidissement, gradients thermiques, cycles de chauffage/refroidissement) influencent directement la microstructure du matériau, c’est-à-dire l’organisation des grains métalliques à l’intérieur de la pièce. En modulant ces paramètres en cours de fabrication, on modifie la structure interne du matériau et donc, ses propriétés mécaniques.

Des matériaux à gradient de propriétés pour des composants plus performants et durables 

Cette capacité à créer des microstructures sur mesure est particulièrement prometteuse pour le secteur aéronautique, où de nombreux composants critiques, dont les aubes de turbine, sont soumis à des conditions extrêmes : fortes températures, variations thermiques rapides, charges mécaniques complexes.

Les travaux d’Alena Kreitcberg visent à concevoir des pièces dont la microstructure est adaptée aux contraintes locales. Par exemple, comment pour les aubes de turbine, le bord de fuite peut être optimisé pour résister au fluage à haute température, tandis que le bord d’attaque peut être renforcé pour mieux supporter la fatigue mécanique. L’objectif global est de développer la méthode de fabrication et d’étudier la capacité de ce type de matériaux. Pour les aubes de turbine, cette approche permet par exemple de produire des pièces plus résistantes, qui durent plus longtemps, nécessitent moins d’entretien et entraînent moins de gaspillage de matériaux.

Prédire la microstructure avant de fabriquer

Au cœur de ce programme de recherche, axé sur les différents types d’alliages, se trouve le développement d’un outil prédictif basé sur la simulation. L’équipe de recherche vise à établir des liens précis entre les paramètres de fabrication additive, la microstructure obtenue et les propriétés mécaniques finales.

Cet outil permettra de prédire la microstructure résultante pour différentes combinaisons de paramètres d’impression 3D, facilitant ainsi la sélection des conditions optimales pour fabriquer des composants aux propriétés ciblées. Un volet important du projet s’intéresse également à la compréhension des mécanismes de solidification, tant dans le matériau lui-même que dans les zones de transition, afin de comprendre leur influence sur l’équilibre entre résistance et ductilité.

Les performances de ces composants seront ensuite évaluées à l’aide d’essais de fluage-fatigue et de fatigue thermomécanique, afin de démontrer leur supériorité par rapport aux matériaux homogènes traditionnels.

Des composites métalliques nouvelle génération

Le second axe de recherche d’Alena Kreitcberg porte sur une autre classe de matériaux émergents : les composites métalliques à phases interpénétrées. Ces matériaux combinent deux métaux distincts, interconnectés dans une architecture tridimensionnelle complexe.

Un exemple concret : une structure en acier imprimée en 3D, à architecture poreuse, contrôlée et modulable, dans laquelle on infiltre de l’aluminium liquide. L’aluminium liquide remplit les pores et, après solidification, forme un composite bimétallique aux propriétés combinées et ajustables.

Selon la taille, la géométrie et la distribution spatiale des pores au sein de la structure architecturée, il est possible de moduler la conductivité thermique, la résistance mécanique ou encore le poids du matériau. Cette approche est particulièrement pertinente dans un contexte où la réduction du poids des véhicules est devenue un levier essentiel pour diminuer la consommation de carburant et les émissions de CO₂.

Modélisation et intelligence artificielle 

Pour accélérer le développement de ces matériaux complexes, Alena Kreitcberg s’appuie sur la modélisation numérique et l’intelligence artificielle, ce qui permet de réduire considérablement le nombre d’essais expérimentaux nécessaires. 

En repensant le matériau non plus comme une entité uniforme, mais comme un système adaptable et fonctionnel, cette recherche contribue à transformer en profondeur notre façon de concevoir les pièces d’ingénierie et ouvre la voie à une nouvelle génération de matériaux véritablement sur mesure.