Généralités sur la fabrication additive

Généralités sur la fabrication additive

Intérêt sociétal et économique de la fabrication additive

La FA définit le processus d’assemblage de matériaux en vue de fabriquer des objets à partir de modèles 3D. Si elle correspondait à un phénomène d’ampleur limitée il y a quelques années, elle connaît actuellement un engouement exceptionnel. Il est donc important de replacer la fabrication additive dans son contexte actuel.

Contexte actuel
D’après le rapport Wohlers (2015), l’utilisation de la fabrication additive directe comme outil de production continue à croitre, et représente 42,6 % du total des revenus des produits et services de fabrication additive (Figure I. 1). De nombreux secteurs industriels (aérospatial, médical, industrie automobile) se penchent sur les nouvelles technologies, représentant plus de 60 % du marché de la fabrication additive, avec des taux de croissances de 15 à 25 % pour les cinq prochaines années.

Il existe deux marchés bien distincts : les applications dites grand public et de l’autre côté des applications industrielles. Aujourd’hui, le véritable enjeu semble lié au développement de la fabrication additive dans l’industrie. Si la FA est couramment utilisée pour réaliser des pièces non fonctionnelles et des dispositifs d’aide à la production (prototypes, moules, outillages), le défi consiste aujourd’hui à fabriquer en série des pièces fonctionnelles apportant une amélioration en termes de cadence et de finitions. Dans ce domaine, la France se positionne légèrement en retrait sur la scène internationale avec seulement 3,3 % du parc mondial de machines et une offre encore peu organisée (Rapport PIPAME, 2017). Pour cette raison, différentes initiatives sont en cours dans les régions (ex: Additive Factory Hub en Ile de France) afin de structurer la R&D et de donner accès aux techniques de FA au plus grand nombre de PME.

Intérêt économique et industriel

Les principaux avantages de la technologie sont :

– La liberté de conception : la fabrication additive permet de repenser la conception des pièces mécaniques et d’imaginer de nouvelles fonctionnalités: une plus grande complexité géométrique, l’intégration de fonctions au sein d’une pièce, la disparition des contraintes induites par l’outillage ou par le matériau brut initial.
– La flexibilité : elle permet de produire directement de pièces en petites séries sans stock.
– L’efficacité énergétique : elle permet de réaliser des économies de matière et d’énergie, la matière étant uniquement déposée là où le besoin l’impose (Figure I. 2).
– La personnalisation : ce procédé offre une plus grande flexibilité et permet de développer et fabriquer des produits industriels parfaitement adaptés à la demande du client sans induire de surcoût par rapport à une fabrication en série.

Les secteurs industriels visés en premier lieu sont l’aérospatial, le médical et l’automobile. Dans le cas de l’aérospatial par exemple, Airbus a développé des équerres de fixations en titane réalisées en fabrication additive. Ces pièces sont en phase de test sur l’un des 5 prototypes de l’appareil A350 depuis juin 2014. D’autres domaines sont émergents avec un potentiel de croissance de près de 30 % sur les années à venir .

La Fabrication Additive 

Les différents procédés de la FA

Au début des années 1980, Chuck Hull découvre qu’il est possible de produire une pièce solide par polymérisation de la matière liquide, il dépose son premier brevet sur le procédé de stéréolithographie en 1984. C’est le début du prototypage rapide.

Si le prototypage rapide (RP : Rapid Prototyping) correspond à l’ensemble d’outils (maquettes, modèle numérique…) qui permettent d’aboutir à des représentations de la conception de produits (Figure I. 4), le terme fabrication additive décrit “l’ensemble des procédés permettant de fabriquer, couche par couche, par ajout de matière, un objet physique à partir d’un objet numérique” (NF E 67-001). Par rapport aux procédés de fabrication usuels, elle permet la réalisation d’objets sans contraintes de forme et repousse les limites en termes de design, précision et temps de fabrication.

Les principales étapes de réalisation sont les suivantes (Figure I. 5) :
– Création d’un modèle 3D en CAO de la pièce et exportation sous forme d’un format standard (par exemple au format .stl = contour de la pièce sous forme de triangles et de leur vecteur normal)
– Nettoyage et traitement du fichier.
– Positionnement sur le plateau de fabrication
– Découpage de la pièce en couches ou « slicing ».
– Définition des paramètres opératoires (puissance, vitesse de scanning, écart vecteur, stratégie)
– Exportation du fichier vers la machine et fabrication couche par couche suivant les sections définies par le tranchage.

La géométrie et le poids des pièces réalisées en fabrication additive peuvent être optimisés par une méthode dite d’optimisation topologique (Figure I. 6). Cette technique utilise un logiciel d’optimisation permettant de supprimer les volumes de matière non sollicités mécaniquement. Les logiciels les plus utilisés sont Within Labs (Autodesk) ou encore Inspire (SolidThinking) (3D Natives, 2016) .

La norme (ASTM F2792 ou ISO 17296-2) décrit la terminologie standardisée des divers procédés FA. Ces processus sont classés suivant sept familles distinctes (Tableau I. 2) :
– Extrusion de matériau (material extrusion – fuse deposition modelling – FDM)
– Dépôt de matériau et fusion (direct energy deposition – DED)
– Fusion sur lit de poudre (powder bed fusion – PBF)
– Jet de matériau (material jetting)
– Jet de liant (binder jetting)
– Lamination de feuilles (sheet lamination)
– Photopolymérisation en cuve (vat photopolymerization).

Fabrication additive directe des matériaux métalliques

La fusion complète de la matière (procédés SLM, EBM et DMD) permet l’obtention de pièces denses ne présentant que peu de porosités, soit par fusion sélective d’un lit de poudre, soit par fusion de poudre projetée.

La fabrication directe correspond à la réalisation de pièces fonctionnelles qui répondent aux critères requis pour l’application en termes de densité, d’état de surface et de respect dimensionnel. Les propriétés visées pour ces pièces doivent être similaires ou supérieures aux pièces obtenues par des procédés conventionnels. Les trois principaux procédés de fabrication directe (Tableau I. 3) sont :
– DMD (Direct Metal Deposition) : fusion par laser de poudre métallique projetée
– EBM (Electron Beam Melting) : fusion successive de couches de poudre métallique par faisceau d’électrons
– SLM (Selective Laser Melting) 2 : fusion successive de couches de poudre métallique par laser .

Le point commun de ces trois procédés est l’utilisation de poudres métalliques. Cette poudre est généralement obtenue par une atomisation gazeuse (Figure I. 7) dans laquelle l’alliage métallique une fois fondu est sphéroïdisé par un flux d’argon. Ce procédé permet l’obtention de particules de poudre quasisphériques dont la taille est comprise entre 10 et 200 µm. D’autres procédés sont également en cours de développement, basés sur la fusion de fil métallique par laser ou par procédé à l’arc (WAAM). Ces procédés sont attractifs de par leur rendement matière (100% du fil est fondu et contribue à la pièce finale), mais limités de par les géométries réalisables.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
I.1 Introduction
I.2 Généralités sur la fabrication additive
I.2.1 Intérêt sociétal et économique de la fabrication additive
I.2.2 La Fabrication Additive
I.3 L’interaction laser matière
I.3.1 Absorption dans les solides métalliques
I.3.2 Absorption dans un lit de poudre métallique
I.3.3 Interaction laser-matière en régime de soudage
I.4 Le procédé de fusion sélective par laser (SLM)
I.4.1 Optimisation du procédé SLM
I.4.2 Défauts générés en SLM
I.4.3 Interaction laser-poudre-zone fondue en SLM et instabilités associées
I.5 Conclusion et objectifs de la thèse
CHAPITRE II : MOYENS EXPERIMENTAUX ET MATERIAUX
II.1 Mise en œuvre du procédé SLM
II.1.1 Machine industrielle SLM 125 HL
II.1.2 Banc instrumenté de SLM et diagnostics associés
II.1.3 Comparaison entre les deux approches
II.2 Moyens d’analyse des matériaux élaborés par SLM
II.2.1 Granulométrie laser
II.2.2 Profilométrie 3D
II.2.3 Préparation métallographique et analyse microscopique
II.3 Matériaux et poudres utilisés
II.3.1 L’acier 316L
II.3.2 Les alliages d’aluminium
II.3.3 Mesure de réflectivité par sphère intégrante
CHAPITRE III : ETUDE PHYSIQUE DE LA FUSION LASER D’UN LIT DE POUDRE ET FABRICATION DE MONO-CORDONS
III.1 Etude par vidéo rapide de la fusion SLM
III.1.1 Premières observations
III.1.2 Zone d‘interaction laser – zone fondue – poudre
III.1.3 Analyse de l’arrière de la zone fondue
III.1.4 Bilan des analyses des zones fondues par vidéo rapide
III.2 Analyse des cordons SLM solidifiés
III.2.1 Cartographie des régimes de fusion
III.2.2 Influence des dimensions de zones fondues sur la formation des instabilités
III.2.3. Analyse des dimensions de cordons et mise en œuvre d’une approche analytique
III.3 Analyse des éjections de matière
III.3.1 Analyse latérale des éjections par vidéo rapide
III.3.2 Analyse des particules éjectées
III.3.5 Estimation du % de métal fondu éjecté
III.4 Etude de la colonne de vapeur
III.4.1 Analyse de la colonne de vapeur sur le banc instrumenté
III.4.2 Analyse de la colonne de vapeur sur la machine SLM
III.5 Influence du matériau : essais sur aluminium
III.5.1 Etude de la fusion SLM sur aluminium par vidéo rapide
III.5.2 Analyse des cordons solidifiés
III.6 Conclusion du chapitre
CHAPITRE IV: OPTIMISATION DE LA DENSIFICATION SUR DES PIECES SLM EN ACIER 316L
IV.1 Plan paramétrique des essais réalisés sur des pièces SLM
IV.1.1 Choix des paramètres procédés et des stratégies de balayage
IV.1.2 Méthodes de mesure du taux de porosité
IV.2 Les porosités et leur origine
IV.2.1 Localisation, forme et taille des porosités
IV.2.2 Influence des paramètres du procédé sur le taux de porosité
IV.2.3 Influence de la stratégie de balayage
IV.3 Evolution des taux de porosité avec la densité d’énergie
IV.3.1 Validation du VED
IV.3.2 Représentation analytique de la densification
IV.4 Relation entre densification et dimensions des cordons de fusion
IV.4.1 Dimensions des cordons en fonction des paramètres procédé
IV.4.2 Taux de porosité en fonction des dimensions de cordons
IV.5 Influence de la rugosité de la surface de fabrication sur le taux de porosités
IV.5.1 Etude des surfaces de fabrication
IV.5.2 Caractérisation géométrique des surfaces de construction
IV.6 Vers une amélioration du procédé de SLM
IV.6.1 Bilan des résultats
IV.6.2 Perspectives : Régime de conduction, fusion avec un spot défocalisé
IV.7 Conclusion du chapitre
CONCLUSION GENERALE

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