Effets du processus de fusion de poudre métallique par laser (L-PBF) sur les caractéristiques de la poudre et sur les propriétés mécaniques des pièces imprimées en acier maraging PDF Download
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Author: Rayan Othmane
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Book Description
« Grâce à ses multiples avantages, l’impression 3D révolutionne les méthodes de fabrication traditionnelles. Elle permet la production des pièces mécaniques à géométrie très complexe, plus légères et très résistantes. Lors de l’impression d’une pièce, seule une partie de la poudre étalée est fusionnée. La poudre non fusionnée peut ensuite être tamisée et réutilisée. Cette étude porte sur les effets du procédé de fusion de la poudre (L-PBF) et du recyclage de la poudre sur les caractéristiques de la poudre d’acier maraging et sur les propriétés mécaniques des pièces. Ce mémoire est structuré autour des deux articles qui ont été rédigés dans le cadre du projet. Le premier article présente les résultats de trois expériences relatives à l’analyse des effets du procédé de fusion sur les caractéristiques de la poudre. La première démontre que la taille des particules de poudre n’est pas uniforme dans le volume d’impression. Il est aussi démontré que la diminution de l'espacement entre les pièces imprimées change la distribution de la taille des particules (PSD) en augmentant la proportion de grosses particules. La dernière expérience montre que plus la structure des pièces en treillis est dense, plus le PSD et la morphologie du lit de poudre sont affectées. Ainsi, après douze cycles de recyclage, la taille des particules augmente et leur morphologie est dégradée. Le deuxième article évalue les effets du recyclage de la poudre sur les propriétés mécaniques des pièces. Après 8 cycles d’impression, la taille des particules de poudre a augmenté, la morphologie des particules est changée et les propriétés en traction et en fatigue sont restées globalement constantes. Cependant, l'écart type de la limite d'endurance des éprouvettes fabriquées avec la poudre recyclée 8 fois est plus faible que celui obtenu avec les éprouvettes issues de la poudre neuve. Enfin, l'analyse fractographique montre que les pièces fabriquées à partir de la poudre recyclée présentent plus défauts d’impression que les pièces fabriquées avec de la poudre neuve. -- Mot(s) clé(s) en français : Fabrication additive, procédé de fusion laser à lit de poudre (L-PBF), recyclage de la poudre, morphologie de la poudre, distribution de la taille des particules (PSD), pièces en treillis (lattices), éclaboussures. »--
Author: Rayan Othmane
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« Grâce à ses multiples avantages, l’impression 3D révolutionne les méthodes de fabrication traditionnelles. Elle permet la production des pièces mécaniques à géométrie très complexe, plus légères et très résistantes. Lors de l’impression d’une pièce, seule une partie de la poudre étalée est fusionnée. La poudre non fusionnée peut ensuite être tamisée et réutilisée. Cette étude porte sur les effets du procédé de fusion de la poudre (L-PBF) et du recyclage de la poudre sur les caractéristiques de la poudre d’acier maraging et sur les propriétés mécaniques des pièces. Ce mémoire est structuré autour des deux articles qui ont été rédigés dans le cadre du projet. Le premier article présente les résultats de trois expériences relatives à l’analyse des effets du procédé de fusion sur les caractéristiques de la poudre. La première démontre que la taille des particules de poudre n’est pas uniforme dans le volume d’impression. Il est aussi démontré que la diminution de l'espacement entre les pièces imprimées change la distribution de la taille des particules (PSD) en augmentant la proportion de grosses particules. La dernière expérience montre que plus la structure des pièces en treillis est dense, plus le PSD et la morphologie du lit de poudre sont affectées. Ainsi, après douze cycles de recyclage, la taille des particules augmente et leur morphologie est dégradée. Le deuxième article évalue les effets du recyclage de la poudre sur les propriétés mécaniques des pièces. Après 8 cycles d’impression, la taille des particules de poudre a augmenté, la morphologie des particules est changée et les propriétés en traction et en fatigue sont restées globalement constantes. Cependant, l'écart type de la limite d'endurance des éprouvettes fabriquées avec la poudre recyclée 8 fois est plus faible que celui obtenu avec les éprouvettes issues de la poudre neuve. Enfin, l'analyse fractographique montre que les pièces fabriquées à partir de la poudre recyclée présentent plus défauts d’impression que les pièces fabriquées avec de la poudre neuve. -- Mot(s) clé(s) en français : Fabrication additive, procédé de fusion laser à lit de poudre (L-PBF), recyclage de la poudre, morphologie de la poudre, distribution de la taille des particules (PSD), pièces en treillis (lattices), éclaboussures. »--
Author: Maria Averyanova
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Languages : fr
Pages : 202
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L’étude réalisée dans le cadre de cette thèse porte sur la maitrise du procédé de Fusion Sélective par Laser (Selective Laser Melting -SLM) sur toute la chaine de fabrication : de la sélection de la poudre métallique au contrôle final des propriétés (mécaniques, microstructurales, etc.) des pièces élaborées. La Fusion Sélective par Laser est un procédé de fabrication innovant et complexe qui demande des connaissances pluridisciplinaires, dans le domaine de la Métallurgie des Poudres, du Génie des Procédés, de la Mécanique, de l’optique/photonique, etc. D’un point de vue scientifique, il convient donc d’ajuster et optimiser un grand nombre de paramètres opératoires d’entrées, tels les caractéristiques du matériau sous forme de poudre, les paramètres machines, etc., pour viser un ensemble de paramètres de sorties, afin de cerner l’influence de ces paramètres d’entrées et les hiérarchiser.Dans un premier temps, l’influence de la nature de la poudre (pour 2 familles de matériaux : acier martensitique 17-4 PH et alliage Co-Cr) et de ses propriétés sur le procédé SLM et la qualité finale des pièces a été étudié. Sur la base d’un matériau à métallurgie complexe, l’acier 17-4PH, l’impact des éléments chimiques clés de la poudre sur les propriétés et la microstructure finale des pièces élaborées par SLM a été montré. Les propriétés de la poudre qui favorisent la fabrication de pièces denses ont été trouvées et formulées. Dans un deuxième temps, devant la difficulté inhérente au grand nombre de paramètres influant sur le procédé, une recherche paramétrique, basée sur l’utilisation des méthodes de plan d’expériences, a été effectuée. Un lien entre la géométrie du cordon de fusion et une fonction issue de paramètres physiques du procédé, par rapport aux paramètres opératoires, a été identifié. Ainsi, un critère de stabilité du cordon a été proposé. Il permet de trouver rapidement la fenêtre paramétrique optimale, et dans le cas de la fonction objectif choisi dans ce travail, à savoir une densité maximale, il permet de fabriquer des objets 3D denses ayant un taux de porosité inférieur à 1%. Les valeurs des propriétés mécaniques des éprouvettes de traction du matériau 17-4 PH élaborées par SLM sont du même ordre de grandeur que le matériau 17-4 PH brut fabriqué par méthodes traditionnelles. Enfin, il a été montré que l’utilisation d’un traitement thermique approprié permet d’homogénéiser la microstructure, d’augmenter la dureté et, par conséquent, la résistance mécanique. Ces travaux ont permis in fine de mener à bien l’industrialisation du procédé sur deux cas concrets : la fabrication de bridges dentaires et celle d’une filière d’extrusion.
Author: Faical Habassi
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« La fusion sélective laser (SLM) est un procédé prometteur qui est en voie de développement grâce aux innovations techniques et aux travaux de recherches actives qui ont vu le jour dans les récentes années. L'acier maraging (C300), qui appartient à la gamme des métaux qui peuvent être mis en œuvre par la fabrication additive grâce à sa bonne imprimabilité, a été utilisé dans différents domaines, tels que l’outillage, le moulage, l’aérospatial, et l’industrie automobile, en raison de ses hautes caractéristiques mécaniques. Cependant, certaines limitations sont toujours là, y compris le coût de production, la nécessité de post-traitement des pièces telles que construites et les effets non encore maîtrisés des différents paramètres du processus et des caractéristiques de post-traitement thermique. C’est pourquoi la fusion sélective laser des aciers maraging fait toujours un sujet intéressant de recherche et développement. Néanmoins, beaucoup reste encore à faire pour perfectionner l’utilisation de la technique SLM pour la production des pièces complexes à haute résistance afin d’avoir un procédé rentable et efficace. Dans cette mémoire, l'influence de plusieurs traitements thermiques sur les différentes propriétés mécaniques des SLM-acier maraging (C300) ainsi que la sensibilité des ces propriétés mécaniques aux paramètres du procédé, spécialement la puissance laser, la vitesse de balayage, l’espace d’hachurage et la densité d'énergie laser, ont été examinées expérimentalement. À cet effet, plusieurs séries d’expériences ont été faites dans le cadre de la recherche en faisant varier les paramètres de SLM et de traitements thermiques pour disposer de données satisfaisantes pour pousser l’analyse en profondeur. Les paramètres de processus SLM et de traitement thermique ont été mesurés pour leur effet sur la formation de défauts, la microstructure et les propriétés mécaniques. Des outils statistiques tels que l’ANOVA sont utilisés pour cela, précédés d’une planification d’expérience faisant appel à la méthode Taguchi et un design factoriel complet. L’optimisation est faite à l’aide d’outils numériques qui sont des méthodes itératives et algorithmiques aidant à trouver les valeurs optimales. Les résultats de l’étude ont montré l’efficacité de cette approche en mettant en avant la sensibilité et l’apport des traitements thermiques en termes des performances mécaniques. -- Mot(s) clé(s) en français : fusion laser sélective, paramètres de procédé, acier maraging, traitement thermique, propriétés mécaniques, optimisation, Taguchi, ANOVA. »--
Author: Pierre Vinson
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La fabrication directe et additive regroupe un ensemble de technologies de mise en forme des matériaux en rupture avec les procédés conventionnels. L'industrie aéronautique et aérospatiale s'intéresse fortement à ces nouveaux procédés, dont la fusion sélective par laser de lits de poudre métallique (SLM). Cette thèse présentera les enjeux de la fabrication additive ainsi que certains procédés. Une étude bibliographique a été menée sur deux alliages aéronautiques utilisés dans ces travaux : l'alliage de titane TA6V et le superalliage base nickel Nimonic 263. Les travaux présentés dans ce rapport comprennent l'étude de la poudre métallique brute d'atomisation (morphologie, granulométrie, composition chimique). D'autre part, l'étude de la recyclabilité de la poudre utilisée en SLM est présentée pour le TA6V, tant en ce qui concerne l'évolution de la poudre elle-même que celle des propriétés mécaniques des pièces qui en sont issues. Par ailleurs ce travail traite d'un modèle de consolidation du lit de poudre permettant également d'évaluer la productivité du procédé. Enfin, une étude paramétrique et thermique menée sur le Nimonic 263 en vue de l'établissement d'une solution de contrôle procédé est présentée.
Author: Laurent Van Belle
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Les procédés additifs, auxquels appartient la fusion laser de poudres métalliques, ont la capacité de créer des structures à géométries complexes, avec la possibilité d'intégrer des formes creuses, par exemple des canaux de refroidissement assurant un contrôle thermique optimum. Ce procédé permet de fabriquer des pièces réelles à partir de poudres métalliques, par fusion du matériau, couche par couche, en accord avec le modèle CAO. Au cours du procédé, de nombreux cycles thermiques et d'importants gradients thermiques se produisent dans la pièce au cours de sa fabrication. Ces gradients de température induisent des déformations plastiques hétérogènes et de ce fait des contraintes résiduelles. Ces contraintes peuvent nuire à la qualité de la pièce obtenue, par exemple sa résistance mécanique. Ces travaux ont pour objectifs de proposer un modèle numérique, s'appuyant sur la méthode des éléments finis afin d'étudier l'apparition des contraintes résiduelles lors du procédé de fusion laser de poudres métalliques. Le logiciel multiphysique ABAQUS® a été utilisé pour effectuer les analyses thermiques et mécaniques. La technique « d'ajout et de suppression des éléments » a été utilisée afin de simuler la fusion et la solidification de la matière au cours du procédé. Les propriétés mécaniques dépendantes de la température de l'acier maraging, utilisé dans notre cas, ont été obtenues à l'aide d'essais expérimentaux de caractérisations et intégrées dans le modèle. Les calculs sont réalisés de manière découplée, dans un premier temps le calcul thermique est effectué, puis les résultats sont utilisés pour réaliser le calcul mécanique et finalement prédire les champs de contraintes. Dans le cadre de ce travail, une méthode originale s'appuyant sur la technique de mesure des contraintes résiduelles par enlèvement de couches successives a été mise au point pour mesurer ces contraintes en direct au cours du procédé. Les résultats renseignent sur le niveau et la distribution des contraintes dans la pièce créée et le support. Deux paramètres ont été testés afin d'étudier leur influence sur le niveau des contraintes résiduelles : le temps d'étalement de la poudre entre deux couches successives et la hauteur des couches. Le modèle numérique paramétrable permet d'analyser les effets de paramètres liés au procédé sur la répartition des contraintes résiduelles dans les pièces fabriquées. Les résultats montrent que la variation de l'épaisseur du support n'affecte pas la répartition des contraintes dans la pièce créée. Le préchauffage du support à une température de 800°C réduit les contraintes résiduelles L'étude de quelques trajectoires laser montre leurs influences sur la répartition des déformations plastiques cumulées ainsi que la hauteur des couches de poudres ou de la forme du support (embase, colonnes).
Author: Amal Masmoudi
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Le procédé de fusion sélective par laser (SLM) d'un lit de poudre métallique, est un procédé de fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces de forme complexe directement à partir d'un fichier CAO en passant par la fusion totale de couches de poudre déposées successivement. Au cours du procédé SLM l'apport d'énergie du laser à la cible engendre de nombreux cycles thermiques: fusion - vaporisation - solidification. Dans ce contexte, cette thèse a pour double objectif :1) une meilleure caractérisation et compréhension des phénomènes qui se produisent lors de l'interaction du faisceau laser avec la poudre et le bain de métal fondu à l'aide d'essais et 2) le développement d'un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de fusion et de vaporisation de la matière ainsi que à la présence du gaz environnant à l'intérieur de la chambre de fabrication.Dans un premier temps, en considérant des géométries simples (cordons et surfaces) en acier inoxydable 316L, on a étudié l'interaction faisceau laser - lit de poudre / bain liquide métallique par différentes méthodes de diagnostics (spectrométrie, calorimètre, ...) pour comprendre la nature et le rôle de la vapeur métallique générée au cours du procédé. Les résultats ont montré que cette vapeur est sans effet sur la transmission de l'énergie du laser à la matière au cours du procédé SLM. Par contre, elle conduit à la formation de condensats et peut aussi entrainer des gouttelettes de métal fondu.Ces analyses ont permis, dans un second temps, de développer un modèle numérique qui a pour objectif principal de caractériser l'influence de la pression du milieu environnant sur le processus de fusion du lit de poudre par le faisceau laser. Des paramètres caractérisant l'évolution des propriétés physiques du matériau et du milieu gazeux en fonction de la température et de la pression ont été intégrés dans les bases de données du modèle. Ces paramètres physiques du matériau ont été déterminés à partir de la littérature et d'autres ont été obtenus empiriquement à l'aide de mesures expérimentales spécifiques.Ce modèle numérique a été utilisé pour traiter le sujet principal de la thèse, à savoir celui de l'effet de la pression. Le modèle a permis de préciser les phénomènes physiques inhérents à la variation de la pression. Des manipulations expérimentales ont permis de vérifier la pertinence des données du modèle numérique proposé.
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Category : Manufacturing processes
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Author: Denis Mutel
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Languages : en
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Contrairement à la fabrication soustractive, la fabrication additive est un procédé permettant de produire des objets couche par couche. Ce processus permettrait de concevoir de nouveaux produits avec une géométrie complexe qui ne pourraient pas être fabriqués en utilisant des procédés traditionnels. Dans la majorité des cas, la fabrication additive demande des poudres aux propriétés très spécifiques afin d'obtenir des objets ayant les propriétés mécaniques souhaitées. C'est pourquoi l'atomisation au gaz est le procédé préférentiel pour produire des poudres. En effet, cette méthode permet d'obtenir des particules avec une géométrie régulière et exemptes d'oxyde conférant par la suite d'excellentes propriétés rhéologiques aux poudres produites. En revanche, d'un point de vue économique, l'utilisation de l'atomisation de l'eau pour produire des alliages ferreux pour le LPBF pourrait être très intéressante compte tenu de son taux de production beaucoup plus élevé et de ses coûts de production nettement inférieurs. Cette thèse s'attaque à l'utilisation de poudre d'acier à outil S7 produite par atomisation à l'eau pour la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre. Afin de pouvoir substituer l'atomisation au gaz par l'atomisation à l'eau pour produire ce type de poudre, cette thèse optimisera le processus d'atomisation de l'eau ainsi que la chimie des alliages d'origine afin de maximiser la sphéricité des particules (morphologie) tout en minimisant la teneur en oxygène. Ainsi, des poudres d'acier à outils adéquates à la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre pourraient être produites à une fraction du coût de celles obtenues par atomisation au gaz. De plus, afin de comprendre la relation entre l'écoulement de la poudre et les caractéristiques morphologiques des particules individuelles, l'intelligence artificielle est utilisée comme un outil afin d'établir des liens entre ces propriétés. Des micrographies des poudres produites ont été acquises en microscopie électronique à balayage pour être par la suite segmentées en particules individuelles. Les micrographies des particules individuelles où leurs paramètres morphologiques sont ensuite traités en utilisant l'intelligence artificielle pour corréler les informations collectées sur les particules individuelles avec les propriétés rhéologiques des poudres. Enfin, pour vérifier la pertinence de l'utilisation de poudre d'acier à outil S7 produite par atomisation à l'eau en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, les poudres produites par atomisation à l'eau ont été utilisées pour produire des pièces et déterminer leurs propriétés mécaniques tels que la résistance en traction, la ductilité et la résistance aux chocs. Ces travaux apportent de nouvelles connaissances sur les relations entre les propriétés physiques des poudres et leurs propriétés rhéologiques mais également sur la faisabilité de l'utilisation de poudres atomisées à l'eau en fabrication additive sur lit de poudre.
Author: Nan Kang
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La micro fusion laser d'un lit de poudre (SLM) permet la réalisation de pièces complexes avec des microstructuresfines. Cette technologie présente de nombreux avantages mais se heurte encore à une faible disponibilité des poudres d'alliages. En SLM, la pièce est d'abord conçue par CAO (conception assistée par ordinateur), puis construite couche par couche avec un faisceau laser commandé par un ordinateur. Dans ce cadre, le travail effectué dans cette thèse a consisté à étudier et à développer une nouvelle méthode pour réaliser des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres élémentaires, ouvrant ainsi la voie à une grande variété de compositions.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système aluminium-silicium avec différentes teneurs en silicium (12, 18 et 50% en poids). L'effet de l'ajout d'un champ magnétique statique a aussi été proposé comme un outil supplémentaire de contrôle de la microstructure.Dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition des phases et les propriétés mécaniques du produit. Une analyse systématique de l'effet de ces paramètres sur l'alliage Al - Si fabriqué par SLM à partir de mélanges de poudres est présentée. Des alliages ont été ainsi obtenus pour plusieurs domaines de composition visés correspondant à des applications pratiques (structures légères, système tribologique, emballage électronique, ...).Les microstructures fines obtenues grâce à la solidification rapide des matériaux fondus conduit à des propriétés quise comparent de façon favorable à celles obtenues avec les techniques classiques d'élaboration et de mise en oeuvre.
Author: Quentin Saby
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Languages : fr
Pages : 211
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L'impression 3D par fusion laser sur lit de poudres (LPBF) permet d'obtenir des empreintes de moule d'injection plastique disposant de canaux de refroidissement « conformal cooling ». Ces derniers, impossibles à obtenir avec des procédés conventionnels à cause de leur géométrie trop complexe, assurent un refroidissement rapide et homogène de la pièce injectée. Actuellement, l'acier de référence pour l'impression d'empreintes de moules est le maraging 18Ni300, réputé pour sa bonne imprimabilité et pour sa capacité à durcir après traitement thermique de vieillissement. Cet acier présente toutefois quelques inconvénients : sa forte teneur en nickel le rend coûteux ; le cobalt qu'il contient peut avoir un effet délétère sur la santé en cas d'inhalation ; et il n'est pas inoxydable. Ainsi, l'objectif de cette thèse a été d'identifier de potentielles alternatives au maraging 18Ni300. Pour cela, dans un premier temps, l'imprimabilité en LPBF de huit poudres d'aciers (deux maraging inoxydables, deux martensitiques Fe-C non-inoxydables et quatre martensitiques inoxydables) a été évaluée au regard de leurs défauts internes et de surface (par tomographie aux rayons X), de leur microstructure (microscopie optique, électronique et diffraction des rayons X), et de leurs propriétés mécaniques statiques (résilience Charpy, dureté HRC). L'influence du carbone sur l'imprimabilité a également été mise en évidence grâce à la réalisation de cordons de fusion sur un échantillon à gradient de teneur en carbone. Cette étude illustre le rôle majeur de l'austénite résiduelle pour l'obtention de pièces sans fissures. Dans un deuxième temps, une fois les aciers les plus intéressants sélectionnés, l'influence de traitements thermiques après fabrication LPBF sur les microstructures et sur les propriétés mécaniques monotones (dureté, résilience, traction) et cycliques (fatigue par flexion rotative) a été évaluée.
