Lucas Fournet-Fayard mène une thèse AFH en collaboration avec le LNE et le PIMM (Arts et Métiers Institute of Technology), qui porte sur l’influence des paramètres procédés sur les propriétés dimensionnelles de pièces produites par L-PBF. Explications sur le contexte et sa démarche.
Le procédé L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion) occupe une place croissante dans l’industrie, notamment grâce à sa capacité à produire des pièces à géométries complexes. Cependant, des verrous technologiques subsistent tels que la qualité des pièces produites. Plus particulièrement ce qui concerne l’aspect dimensionnel (respect des côtes, absence de déformations géométriques par rapport à la forme théorique).
Si les propriétés dimensionnelles ont été assez étudiées de façon approfondie pour les procédés utilisant des matériaux polymères, la recherche concernant les matériaux métalliques s’est principalement focalisée sur les propriétés mécaniques et la santé matière des pièces produites.
Les pièces produites par L-PBF subissent généralement un traitement de surface et sont usinées en post fabrication pour réduire leur rugosité et correspondre au dessin de définition de la pièce. La mise en œuvre des opérations d’enlèvement de matière requiert une tolérance minimale. L’usinage est dans certains cas impossible lorsque les pièces comportent des parties inaccessibles (des canaux internes par exemple) ou des matériaux architecturés (type structures lattices ou nid d’abeille). D’où l’importance d’être en mesure de maitriser et contrôler les erreurs dimensionnelles et les déformations géométriques afin de les anticiper lors de la conception.
Le contrôle de celles-ci passe par la compréhension des phénomènes physiques pouvant être à l’origine de ces écarts. C’est l’objectif de la thèse de Lucas Fournet-Fayard réalisée en collaboration avec le LNE et le PIMM (Arts et Métiers Institute of Technology). Il étudie l’influence des paramètres procédés (puissance laser, vitesse de balayage, stratégie de balayage …) sur les propriétés dimensionnelles de pièces produites par L-PBF. Point d’étape : sa recherche s’est concentrée sur la caractérisation de ces propriétés en fonction de différents jeux de paramétries, ainsi que sur la compréhension de l’origine des déviations, sur l’inconel 625, un alliage base Nickel.
Figure 1 – Artefact utilisé pour caractériser les capacités géométriques et dimensionnelles de la machine L-PBF, a) en CAO, b) après fabrication
Ainsi, une première pièce appelée « artefact » (cf. Figure 1) a été réalisée. Sa caractérisation a soulevé que les petites formes étaient les plus sujettes aux déviations géométriques et dimensionnelles. Afin de mieux identifier ces variations dimensionnelles, un second plateau a été produit comprenant des géométries plus fines. La partie caractérisation est assurée par Zeiss France dans leur centre de métrologie à Neuville-sur-Oise qui collabore au projet. Grâce aux mesures des pièces par Machine à Mesurer Tridimensionnelle (MMT) (cf. Figure 2) les écarts par rapport au modèle théorique ont été calculés afin de tirer des conclusions sur l’influence et l’importance de chaque paramètre sur les erreurs dimensionnelles et déformations induites.
Figure 2 – Exemple d’un tube épais de 1 mm caractérisé par MMT
En parallèle, une étude bibliographique a révélé qu’une grande partie de ces déformations était causée par les contraintes résiduelles, et plus particulièrement par le relâchement de celles-ci lors du décrochage des pièces du plateau. Ces contraintes internes se forment notamment lors du procédé : le contraste thermique est élevé entre la couche en cours de construction et celle en dessous. La couche la plus chaude a tendance à vouloir se dilater davantage que la couche sous-jacente, plus froide, qui l’en empêche. Ce sont ces incompatibilités de déformation qui sont à l’origine des contraintes résiduelles. Il est ainsi crucial de comprendre les mécanismes de formation de ces gradients thermiques et l’influence des paramètres procédé sur ceux-ci pour contrôler et minimiser l’apparition de contraintes. A cet effet, une caméra infrarouge a été installée au sein de la machine 3DSystems sur la plateforme AFH, pour relever la température des pièces ainsi que les vitesses de refroidissement durant la fabrication. Ainsi, des pavés de sections variables et de différentes paramétries process ont été disposés sur un plateau et des acquisitions ont été réalisées à différents moments de la fabrication (cf. Figure 3). Cette campagne expérimentale, permettra de déterminer quelle configuration est la plus susceptible de créer des contraintes résiduelles et d’induire des déformations géométriques. A la suite de cette campagne, des essais de caractérisation des contraintes par DRX (diffraction des rayons X) seront réalisés sur les mêmes géométries dans le but de confirmer les résultats obtenus ici.
Figure 3 – a) Image de pièces en forme de peigne obtenue par caméra thermique, b) pièces en sortie de fabrication
Contact : lucas.fournetfayard@lne.fr
