État de l’art de la fabrication additive métallique

La fabrication additive

A son commencement, la FA est utilisée pour faire du prototypage rapide ce qui permet d’accélérer la validation des étapes de conception et de développement d’un produit (concept, forme, aspect, ergonomie…). A partir des années 90, elle s’oriente vers la “fabrication rapide” qui correspond à la fabrication d’outillage ou directement de pièces finies [2].

Aujourd’hui, la FA est en pleine expansion. Selon le Wohlers Report de 2013, la croissance annuelle du chiffre d’affaires mondial de la FA dans sa globalité était de 25% sur les 25 dernières années. Wholer Associates [3] anticipe que le marché de la FA pourrait atteindre 10,8 milliards de dollars d’ici 2020 (figure 1). Il est majoritairement orienté sur les polymères qui représentaient, en 2012, 75% des ventes de machines contre moins de 6% pour le métallique [3] : néanmoins, ce dernier tend de plus en plus à se développer avec l’apparition de nouveaux procédés et de constructeurs de machines.

Aujourd’hui, la FA est en pleine expansion. Selon le Wohlers Report de 2013, la croissance annuelle du chiffre d’affaires mondial de la FA dans sa globalité était de 25% sur les 25 dernières années. Wholer Associates [3] anticipe que le marché de la FA pourrait atteindre 10,8 milliards de dollars d’ici 2020 (figure 1). Il est majoritairement orienté sur les polymères qui représentaient, en 2012, 75% des ventes de machines contre moins de 6% pour le métallique [3] : néanmoins, ce dernier tend de plus en plus à se développer avec l’apparition de nouveaux procédés et de constructeurs de machines.

Principe général 

La fabrication additive est définie par la norme NF EN ISO/ASTM 52900 comme étant un “procédé consistant à assembler des matériaux pour fabriquer des pièces à partir de données de modèles en 3D, en général couche après couche, à l’inverse des méthodes de fabrication soustractive et de fabrication mise en forme”. Dans cette définition, les méthodes de “fabrication soustractive” correspondent aux méthodes par enlèvement de matière telles que l’usinage tandis que les méthodes de “fabrication mise en forme” correspondent à la forge ou à la fonderie.

De par son principe, la fabrication additive peut s’appliquer à de nombreux matériaux. Son domaine d’application est très large avec beaucoup de procédés disponibles. Toutefois dans cet état de l’art, seuls les procédés utilisant des matériaux métalliques seront abordés.

Procédés existants 

Les normes NF EN ISO 52900 et NF EN ISO 17296-2 définissent sept catégories de procédés dont quatre permettant la fabrication de pièces métalliques (figure 3) :
– les procédés à projection de liant,
– les procédés à fusion sur lit de poudre,
– les procédés de stratification de couches,
– les procédés de dépôt de matière sous énergie concentrée.
La matière première mise en œuvre peut être sous forme de poudres, de fils ou de plaques. Le principe de base consistant à ajouter des couches les unes sur les autres pour fabriquer la pièce est commun à tous les procédés. Ces derniers se différencient par la méthode de fabrication de la couche. Les procédés à projection de liant (figure 3a) fabriquent les couches par la succession de dépôts de poudre (fine couche) et de dépôts sélectifs de liant (colle déposée suivant la géométrie de la pièce) permettant de fabriquer des pièces dites “vertes” de faible résistance qui nécessitent une étape supplémentaire d’infiltration ou de frittage pour leur donner leurs propriétés finales. Les méthodes d’infiltration de bronze permettent notamment d’obtenir une pièce finale avec une densité de 95% [6]. Ce type de procédé permet la fabrication en petites séries de petites pièces complexes (quelques cm au dm) avec des vitesses de fabrication importantes (jusqu’à 4800 cm3 h−1). Il permet de fabriquer plusieurs pièces dans l’intégralité du volume de travail puisque les pièces ne nécessitent pas de support. Les pièces issues de ce procédé possèdent un bon état de surface, une bonne précision de fabrication  .

Les procédés à fusion sur lit de poudre (figure 3c) fabriquent les couches par la succession de dépôts de poudre qui est fusionnée sélectivement à l’aide d’un faisceau laser ou d’électrons [2]. La fabrication sur lit de poudre est un peu plus contraignante, car elle nécessite une atmosphère inerte pour éviter l’oxydation des pièces et l’inflammation des plus fines particules ou de la poudre. Les contraintes résiduelles et les retraits lors de la fabrication sont très importants, ce qui impose l’utilisation de supports qui jouent deux rôles : ils empêchent la déformation de la pièce au cours de la fabrication et ils supportent la construction de la pièce dans les zones de fortes inclinaisons ou détachées du corps principal [7]. La dimension des pièces fabriquées est limitée par le volume de fabrication des machines qui est d’environ 500 mm de côté ; les vitesses de fabrication sont relativement lentes (inférieures à 80 cm3 h −1)  mais permettent de réaliser des pièces complexes avec un bon état de surface. Ce sont à l’heure actuelle les procédés les plus avancés pour la fabrication de pièces métalliques.

Le procédé de stratification de couches (figure 3b) consiste à découper dans un premier temps les différentes couches de manière indépendante. Les méthodes de découpe sont nombreuses : laser, jet d’eau, usinage, etc. Les strates sont ensuite empilées et liées entre elles par différentes méthodes d’assemblage comme le collage, le soudage par ultrasons, l’utilisation d’inserts, le soudage-diffusion, le brasage ou le brasage-diffusion pour obtenir la pièce finale [2]. En fonction de l’épaisseur des couches, la pièce fabriquée présente une surface en escalier plus ou moins importante. Un usinage final est souvent nécessaire pour l’obtention des surfaces fonctionnelles.

Les procédés de dépôt de matière sous énergie concentrée (figure 3d) fabriquent les couches en réalisant conjointement l’apport et la fusion du métal déposé. Le produit d’apport peut être sous forme de poudre ou de fil métallique. Il sera fusionné à l’aide d’une source de chaleur (laser, faisceau d’électrons, arc électrique…) suivant une trajectoire déterminée afin de réaliser une couche [6]. Ce type de procédé permet la fabrication de pièces de grandes dimensions avec des vitesses de fabrication élevées (jusqu’à 2500 cm3/h soit environ 20 kg/h pour de l’acier en fonction du procédé). Les géométries réalisées sont des ébauches présentant un état de surface ondulé qui nécessite un usinage de finition. Un avantage de ce type de procédé est qu’il peut réaliser des pièces sur des substrats de formes quelconques en comparaison des autres procédés qui utilisent une plaque (plateau de fabrication). Cela permet de réaliser des opérations de réparation [6] ou un rajout de fonctionnalités sur des  pièces existantes [8].

Seuls les procédés de dépôt de matière sous énergie concentrée permettent la fabrication de pièces de grandes dimensions. Les procédés utilisant du fil sont notamment intéressants avec la présence d’un grand choix de matériaux issus du soudage; ils évitent les problématiques d’hygiène et sécurité liées à l’utilisation des poudres.

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Table des matières

Introduction générale
1 État de l’art de la fabrication additive métallique
1.1 La fabrication additive
1.1.1 Principe général
1.1.2 Procédés existants
1.1.3 Procédés utilisant du fil
1.1.4 Procédé arc-fil MIG-MAG
1.1.5 Cas d’applications industrielles
1.2 Définition des trajectoires de fabrication
1.2.1 Effet des paramètres du procédé
1.2.2 Stratégie de fabrication
1.3 Caractérisation des matériaux déposés
1.3.1 Méthodes de caractérisation
1.3.2 Cycle thermique en FA arc-fil
1.3.3 Propriétés des dépôts FA arc-fil
1.3.4 Contrôles non destructifs des pièces issues de FA arc-fil
1.4 Conclusions du chapitre
2 Techniques expérimentales et méthodologie de fabrication
2.1 Matériaux et dispositifs expérimentaux
2.1.1 Produits d’apport et substrats
2.1.2 Robot et générateur
2.1.3 Mesure géométrique des dépôts
2.1.4 Mesure de l’énergie linéaire de dépôt
2.1.5 Préparation métallographique et attaques chimiques utilisées
2.2 Domaine opératoire de fabrication
2.2.1 Réalisation des mono-cordons
2.2.2 Réalisation des petits murs multi-cordons
2.2.3 Domaines opératoires de fabrication
2.3 Fabrication des murs avec instrumentation
2.3.1 Procédure de fabrication
2.3.2 Mesure de la température
2.3.3 Mesure des efforts de bridage
2.3.4 Système d’acquisition
2.3.5 Mesure de la géométrie finale
2.3.6 Contrôle de la présence de défauts internes
2.3.7 Éprouvettes de caractérisation
2.3.8 Caractérisations complémentaires
2.4 Conclusions du chapitre
3 Caractérisation de la fabrication
3.1 Évolution de la température de la pièce durant sa fabrication
3.1.1 Évolution de la température du substrat
3.1.2 Évolution de la température des dépôts
3.1.3 Influence d’une interruption de fabrication sur la température des dépôts
3.1.4 Influence de la stratégie de dépôt sur la température
3.1.5 Étude des vitesses de refroidissement
3.2 Garantie de la géométrie des pièces
3.2.1 État de surface latérale des pièces
3.2.2 Dimensions théoriques programmées de la pièce
3.2.3 Écart entre géométrie théorique et réelle
3.2.4 Déformation de la pièce
3.3 Conclusions du chapitre
4 Caractérisation des dépôts
4.1 Microstructure et propriétés mécaniques des pièces en ER100
4.1.1 Microstructure des pièces en ER100
4.1.2 Propriétés mécaniques de l’ER100
4.2 Microstructure et propriétés mécaniques des pièces en 316LSi
4.2.1 Microstructure des pièces en 316LSi
4.2.2 Propriétés mécaniques des pièces en 316LSi
4.3 Contrôlabilité et défauts des pièces
4.3.1 Typologies de défaut rencontrées
4.3.2 Importance de l’état de surface
4.3.3 Défauts visibles en contrôle radiographique
4.3.4 Défauts visibles en contrôle ultrasonore
4.3.5 Origine des défauts
4.4 Conclusions du chapitre
Conclusion générale

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