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Fabrication additive par le procédé de fusion laser sélective

Présentation du moyen d'essai

Plate-forme de fabrication

La base de la plate-forme expérimentale est une machine de Phénix Systems PM100T.

Ses caractéristiques principales sont les suivantes :

  • Laser YAG continu 1064 nm,
  • Volume de fabrication : cylindre diamètre 100 mm hauteur 100 mm
  • Système de mise en couche par rouleau métallique ou céramique
  • Enceinte de fabrication sous atmosphère contrôlée et chauffée
  • Fabrication de pièces en base Aluminium, Cuivre, Fer, Nickel, Cobalt, Céramique

Modifications expérimentales et appareils connexes

L'exploitation scientifique d'un tel moyen d'essai nécessite de maîtriser les paramètres de fabrication tels que :

  • Les matériaux de base : ceux-ci sont des poudres dont la taille, la forme, les propriétés d’écoulement sont caractérisés par granulométie laser (10 nm-3 mm), mesure de densité, flow meter. Ces poudres peuvent être mélangées à but de formulation par turbulat ou en phase liquide.
  • La source laser : analyseur de faisceau, mesure de puissance, contrôle du profil (défocalisation, top-hat,)
  • L’atmosphère par sa mesure et son contrôle : mesure des pressions, du taux d’oxygène par sonde électrolytique, de l’atmosphère résiduelle par spectromètre de masse.
  • La température du bac d’alimentation, du bac de fabrication, de la zone fondue et de sa périphérie : mesure par thermocouples, pyrométrie optique, imagerie thermique déportée (3-5 µm).
  • Les champs thermiques autour de la zone fondue : mesure de champ thermique par caméras visible et/ou SWIR coaxiale (température du bain, gradients de température, vitesse de chauffage et refroidissement).
  • Les phénomènes de fusion et de projection : visualisation par caméra grande vitesse et éclairage laser synchrone (808 nm).
  • L’analyse des défauts et leur maitrise par le process-monitoring.
Le Savoir-faire

Les microstructures générées sont étudiées et analysées par microscopie optique et électronique, par microanalyse X. Les surfaces et reliefs sont mesurés par profilométrie optique 3D. L’analyse morphologique prend une part croissante dans le process monitoring. Le bouclage des mesures thermiques avec le calcul par éléments finis prend toute sa dimension dans la prédiction des microstructures, des contraintes résiduelles et du comportement en service des pièces finies. La maitrise du procédé et des matériaux permet de formuler de nouveaux matériaux, non seulement adaptés à ce procédé mais que seules les conditions opératoires intrinsèques permettent de générer.

  • Caractérisation expérimentale des matériaux de leur élaboration à leurs propriétés en service
  • Développement d'instrumentations spécifiques au procédé
  • Contrôle procédé boucle ouverte et fermée
  • Formulation de nouveaux matériaux à fonctionnalité étendue

film 1 : Visualisation du lasage de lit de poudre (imagerie par éclairage laser synchrone)
 
Le film met en évidence l’éjection de particules lors du lasage d'un lit de poudre. Ces particules, dont la taille est de quelques dizaines de microns, proviennent du bain liquide formé et non du lit de poudre (constitué de particules de quelques microns). Ces grosses particules éjectées sont une des sources de défaut de fabrication par SLM. Ces défauts de fabrication, lorsqu'ils se produisent, abaissent les propriétés mécaniques des pièces en fonctionnement.
 
 
film 2 : Mesure de champ thermique par vision SWIR coaxiale (à venir)
 
La vision coaxiale en cours de fabrication permet de mesurer le champ thermique autour de la zone fondue. De manière générale, la valeur et la stabilité du champ thermique conditionne la microstructure des matériaux lors de leur solidification. Aussi, ce type de mesure très locale permet d'envisager le contrôle procédé (process monitoring) de ce type de machine. On assurera ainsi la traçabilité de la fabrication et la stabilité métallurgique des pièces produites.

La ligne verticale est un pointeur qui montre la variation du gradient thermique arrière de la zone fondue.

 

Fabrication additive par le procédé de fusion laser sélective - MINES ParisTech
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