Métallurgie et Fabrication additive
Généralités
La Fabrication Additive (FA) sous toutes ses formes est en passe de révolutionner la conception et l’élaboration de structures complexes. La qualité morphologique des pièces élaborées, les temps de réalisation réduits, et la possibilité, via une re-conception topologique, de réduire considérablement la masse des structures et d’adapter les pièces sur mesure en font un outil de choix pour l’ingénieur du futur. L’un des intérêts évidents du procédé réside également dans la capacité de rétroaction rapide entre le procédé, la CAO, et les propriétés d’usage des pièces (tenue en fatigue …) qui le prédestine à une large dissémination industrielle, en particulier pour des prototypes ou des préséries de pièces complexes. Il est ainsi possible de réaliser des pièces en multi-matériaux, des pièces aux formes creuses, des pièces aux formes libres et complexes, voire des pièces combinant toutes ces spécificités. Les microstructures obtenues sont par contre assez spécifiques en raison des cinétiques de transformation mises en jeu.
Les différents procédés
Trois ou quatre procédés permettent actuellement d’élaborer des pièces métalliques denses par fusion. Ces procédés peuvent être classés en deux catégories : les procédés de fusion « lit de poudre » (par laser, SLM – LMF, ou par faisceau d’électrons EBM) et les procédés de fusion laser ou arc utilisant des buses de poudre projetée ou des buses avec écoulement de fil (DMD).
Laboratoires impliqués
Différents laboratoires d’Ile de France participant à la fédération FERMI présentent des compétences reconnues dans la mise en oeuvre des procédés de FA métalliques ou la caractérisation microstructurale et mécanique des matériaux métalliques élaborés par fabrication additive :
Laboratoire PIMM (ENSAM – Paris)
Depuis plus de 10 ans, Le laboratoire PIMM (UMR 8006 ENSAM-CNRS-CNAM) travaille sur la mise en oeuvre des procédés FA lit de poudre (LMF – SLM) ou fusion laser de poudre projetée sur machines industrielles ou sur bancs prototypes instrumentés. A travers la collaboration entre les groupes Laser et CoMet, il s’intéresse aux relations procédé – microstructures – propriétés mécaniques, simulation numérique, avec un effort particulier sur la compréhension physique de l’interaction laser-poudre-zone fondue.
Centre des Matériaux (Mines ParisTech, 91 Evry)
Le CdM de l’Ecole des Mines mène une activité de recherche sur la mise en oeuvre des procédés lit de poudre (SLM-LMF), et l’étude fine des relations microstructures – propriétés mécaniques sur une large gamme de matériaux, avec un effort particulier sur la simulation numérique des procédés FA
LSPM (Université Paris XIII, Villetaneuse)
Le LSPM développe depuis peu une collaboration avec la société Z3Dlab, PME voisine située à Montmagny qui, équipée d’une machine SLM, cherche à développer son activité dans les domaines aéronautique et biomédical. Le projet de recherche du LSPM implique la Plateforme technologique Matériaux Mécanique Productique (PTF2MP), les chercheurs et ingénieurs du des équipes PACTM et HP-HT du LSPM. Il porte principalement sur la caractérisation microstructurale et la tenue mécanique des pièces réalisées en alliages de titane et l’association de la SLM avec le procédé de compaction isostatique à chaud (CIC) que le LSPM pratique depuis 40 ans.
ONERA (92, Chatillon)
Les départements de l’ONERA développent de nouvelles méthodologies de conception, matériaux et procédé en fabrication additive pour des applications aéronautiques et spatiales. L’un de ses moyens expérimentaux originaux est la tour d’atomisation par gaz inerte de poudres métalliques.
CEA (91, Saclay)
Le CEA-Saclay travaille sur différents aspects associés à la mise en oeuvre des procédés FA (Elaboration des poudres, procédés + Etude des microstructures), en particulier sur des applications nucléaires. Il est équipé d’une plateforme SLM récente.
ICMMO-SP2M, Univ. Paris XI (91, Orsay)
L’ICMMO travaille sur l’étude des microstructures issues de FA, en particulier à travers la mise en œuvre de l’EBSD.
Contacts
| Laboratoire | Personne | Site web | |
|---|---|---|---|
| PIMM | P. Peyre | patrice.peyre(at)ensam.eu | http://pimm.paris.ensam.fr/ |
| PIMM | F. Adamski | frederic.adamski(at)ensam.eu | http://pimm.paris.ensam.fr/ |
| CdM | C. Colin | christophe.colin(at)mines-paristech.fr | http://www.mat.mines-paristech.fr/ |
| LSPM | B. Bacroix | brigitte.bacroix(at)univ-paris13.fr | http://www-lpmtm.univ-paris13.fr/ |
| LSPM | G. Dirras | guy.dirras(at)univ-paris13.fr | http://www-lpmtm.univ-paris13.fr/ |
| Onera | M. Thomas | marc.tomas(at)onera.fr | http://www.onera.fr/fr/dsg/mas |
| CEA | P. Aubry | pascal.aubry(at)cea.fr | Laboratoire LISL CEA/DEN/SEARS |
| CEA | L. Chaffron | laurent.chaffron(at)cea.fr | Laboratoire LTMEx, CEA/DEN |
| ICMMO | T. Baudin | thierry.baudin(at)u-psud.fr | http://www.icmmo.u-psud.fr/Labos/SP2M/ |
Les thèmes principaux
Les différents enjeux actuels de la métallurgie en Fabrication Additive peuvent être résumés à travers les 8 points détaillés ci-dessous :
Maîtrise de l’élaboration et du cycle de vie global (recyclage) des poudres métalliques
La qualité des poudres métalliques utilisées en FA est l’un des principaux facteurs conditionnant la qualité finale des pièces élaborées. Les principaux modes d ’élaboration sont l’atomisation (souvent gazeuse) et la voie plasma.
Une tour d’atomisation par gaz inerte acquise en 2014 par l’ONERA dans le cadre de l’Equipex « MATMECA » permet de développer des compositions adaptées aux différents procédés de fabrication additive, et a l’originalité de disposer de deux modules de fusion interchangeables :
- un module EIGA (« Electrode Induction Melting Gas Atomization »), sans creuset pour produire des poudres d’alliages qui ne sont pas compatibles avec les creusets céramiques, de par leurs hauts points de fusion (2400°C max.) ou parce que le métal liquide réagit chimiquement avec les céramiques ;
- un module VIGA (« Vacuum Inert Gas Atomization »), avec creuset en céramique (chauffage par induction), adapté aux matériaux ayant des températures de fusion inférieures à environ 1500°C et ne réagissant pas avec la céramique des creusets.
Par ailleurs, l’étude du recyclage des poudres métalliques utilisées en Fabrication additive a fait l’objet de la thèse récente de P. Vinson (Mines Paris-Tech, 2015).
Optimisation des procédés de fabrication Additive et relations procédé-microstructure-mécanique
Cette optimisation peut passer la mise en oeuvre de diagnostics (imagerie, mesures thermiques) autour des procédés de FA, voire même par la mise en place de systèmes de contrôle et régulation temps réel (caméras rapides, thèse R. Mezari, 2014).
Microstructures de pièces obtenues par fabrication additive
Les cinétiques de fusion-solidification rapides de poudres métalliques qui modifient la forme des grains métallurgiques (équiaxes ou colonnaires), les paramètres des procédés de FA (Puissance laser, vitesse, température de préchauffage, stratégie de fabrication …) ont un effet direct sur les microstructures (colonnaires ou équiaxes) et la densité de défauts induits. L’optimisation des paramètres du procédé de FA est donc un enjeu majeur pour la maîtrise des microstructures. Différents laboratoires de la fédération FERMI travaillent actuellement sur ce type de microstructures, que ce soit sur des matériaux aéronautiques (alliages de titane, alliages base Nickel, alliages d’aluminium) ou des aciers (aciers inoxydables 304L, 316L, 904L, aciers Maraging).
Optimisation des traitements thermiques et/ou thermomécaniques
Les pièces brutes de FA peuvent présenter des microstructures hétérogènes, dépendantes de l’histoire thermique locale de la pièce, des défauts métallurgiques (porosités …), et des contraintes résiduelles. Il est donc essentiel de pouvoir disposer de moyens expérimentaux permettant de réaliser des traitements thermiques (TT de détensionnement ou recuit) sous atmosphère contrôlée et des opérations de densification, par exemple par compaction isostatique à chaud (CIC ou HIP). La CIC permet notamment d’éliminer les défauts internes du matériau (i.e. pores ouverts ou fermés) et d’améliorer ses propriétés physiques (mécaniques, thermiques, optiques, etc.). En Ile de France, le laboratoire LSPM de l’Université de Paris 13 (Villetaneuse) dispose de moyens de TT et de CIC et le CdM- Mines ParisTech (Evry) est équipé de fours sous atmosphère contrôlée. Les caractéristiques principales de la presse CIC du LSPM (projet Sesame CARAMEL) sont les suivantes :Les pièces placées dans l’enceinte peuvent subir en parallèle des cycles de pression entre 200 et 4000 bar et des cycles de température entre la température ambiante et 1450°C
- Four molybdène ; volume utile 8 litres
- Un dilatomètre (conçu au laboratoire) permettra la mesure de l’évolution dimensionnelle des pièces au cours du traitement haute Pression / haute température.
- Fluide : argon type U (gaz groupe 2). Mais d’autres fluides possibles…
Simulation numérique des procédés de FA
La simulation numérique a pour objectif de calculer la géométrie des couches – pièces élaborées, leur histoire thermique globale (T= f(x,y,z,t), puis l’état métallurgique et mécanique final (déformations et contraintes résiduelles). En IdF, Le CdM (Mines-ParisTech, Evry) et le PIMM (Arts et Métiers, Paris) développent des modèles morphologiques, thermiques, thermo-métallurgiques et thermo-mécaniques à différentes échelles autour de la FA.
Développement-mise en oeuvre de traitements de surface pour pièces FA
Les rugosités importantes des surfaces de pièces FA (Ra supérieur à 5 µm en SLM, et supérieur à 10 µm en DMD) font considérablement chuter certaines propriétés d’usage des pièces (tenue en fatigue), et limitent la qualification industrielle des procédés. Différents traitements de surface (chimique, électrochimique, mécanique) sont ainsi à l’étude pour l’amélioration des états de surface de pièces complexes.
Elaboration de nouveaux matériaux (matériaux composites et/ou matériaux à gradients)
Les procédés de FA sont non seulement potentiellement adaptés à l’élaboration de matériaux innovants (CMM, HLE, TiAl). La réalisation de transitions métalliques hétérogènes, est possible grâce au procédé DMD alors que les procédés SLM, EBM (lit de poudre) permettent d’envisager l’élaboration de matériaux composites à partir d’un mélange de poudre homogène.
Durabilité des pièces élaborées en FA
L’influence des microstructures spécifiques ou des défauts (porosités) induits par les procédés de FA, vis-à-vis des propriétés en fatigue est un enjeu majeur. Les propriétés tribologiques et électrochimiques des pièces élaborées, avec ou sans parachèvement, sont également visées.
Thèses récentes soutenues en fabrication additive
Pierre VINSON, « Fusion sélective par laser de lits de poudre : Étude sur le recyclage de la poudre et détection de défauts au cours de la fabrication par imagerie thermique », 21 décembre 2015, Mines Paris Tech
Sébastien POUZET, « Fabrication Additive de composites à matrice titane par fusion laser de poudre projetée », 16 décembre 2015, Arts et Métiers ParisTech
Rezak MEZARI, « Etude du contrôle de procédé de projection laser pour la fabrication additive : Instrumentation, Identification et Commande « , 17 décembre 2014, Arts et Métiers ParisTech
Myriam GHARBI, » Etats de surface de pièces métalliques obtenues en fabrication directe par projection laser (FDPL) : Compréhension physique et voies d’amélioration », 5 Juillet 2013, Arts et Métiers ParisTech
Thomas VILARO, » Direct manufacturing of aeronautical parts in Nimonic 263 and A360 through selective laser melting : thermal, microstructural and mechanical approaches », 2011, Mines ParisTech
Arnaud LONGUET, « Numerical modeling of the Ti–6Al–4V material processed by direct metal deposition, PhD thesis, Mines-ParisTech », 2010, Mines ParisTech
Julie MAISONNEUVE, « Fabrication directe de pièces aéronautiques en TA6V et en IN718 : projection laser et fusion sélective par laser », 27 Novembre 2008, Mines ParisTech