La fabrication additive de l’aluminium présente un intérêt majeur pour des pièces à fortes valeurs ajoutées. Son industrialisation à grande échelle est ralentie notamment par le manque de connaissance des phénomènes physiques mis en jeu au cours du procédé.
Un verrou technologique que Gwenaëlle Chebil souhaite lever au travers de sa thèse AFH encadrée par le laboratoire PIMM des Arts et Métiers et l’ONERA. L’objectif recherché est d’améliorer la maîtrise du procédé de fabrication additive sur lit de poudre (L-PBF), en utilisant des méthodes innovantes d’observation in situ.
Cette étude se concentre sur deux observables : les éjections de métal (éjectas ou scories) et les comportements hydrodynamiques du bain liquide. Et ce, afin de faire le lien entre l’interaction laser-matière et la santé matière des pièces construites.
Figure 1 : a) Observation des éjectas d’aluminium en L-PBF ; b) Suivi des trajectoires des éjectas détectés
Les éjections de métal liquide contaminent le lit de poudre environnant et altèrent dans certains cas la santé matière des pièces. L’observation in situ de ces éjectas permet leur analyse qualitative et quantitative.
Pour cela, des essais de mono-cordons sont réalisés sur un banc laser instrumenté. L’utilisation d’un laser fixe aligné avec une caméra, couplé à une table motorisée mobile, filme au plus près l’interaction laser-matière (Figure 1a).
Une méthode numérique automatisée est développée dans le cadre de cette thèse pour analyser les vidéos par une étape de détection et de suivi de particules (Figure 1b). Le système détecte ainsi plusieurs dizaines de milliers de positions de particules par film et en déduit leurs déplacements, pour des flux pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines d’éjectas par seconde.
Cette méthode renseigne sur le nombre, la taille et l’orientation de ces éjections de matières. Les plus grosses scories atteignent un volume 60 fois supérieur au volume nominal des grains de poudre. La comparaison de ces données à celles de la granulométrie de la poudre initiale (Figure 2) permet d’estimer la proportion d’éjectas qui, par leurs grandes dimensions, perturbent le cordon et génèrent des défauts.
Figure 2 : Comparaison granulométrique de poudre brute d’AlSi7 et des éjectas issus du procédé L-PBF sous 3 paramétries différentes
Au cours de cette thèse, Gwenaëlle Chebil compare le comportement en cours de construction de différentes nuances d’alliages d’aluminium, sous différentes conditions opératoires (vitesse, puissance, etc.). En parallèle, des observations métallurgiques sont réalisées sur les monocordons et sur les éjectas récoltés post fabrication (état de surface, microstructure, analyse EDS) (Figure 3).
Figure 3 : Ejectas d’AlSi7 observés au MEB
L’étude de ces observables de l’interaction laser-matière pourra contribuer à l’amélioration des méthodes de contrôle en L-PBF afin, à terme, de prédire et limiter les défauts.
Contact : gwenaelle.chebil@onera.fr
