Memoire Online - Analyse de sensibilité des paramètres susceptibles d'influencer l'état de surface des pièces obtenues par fabrication additive pour des applications aéronautiques

L'ANALYSE DE SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES
SUSCEPTIBLES D'INFLUENCER L'ÉTAT DE
SURFACE DES PIÈCES OBTENUES EN
FABRICATION ADDITIVE POUR DES
APPLICATIONS AÉRONAUTIQUES

Mémoire réalisé en partenariat international présenté et soutenu en vue de
l'obtention du Master of Science en Physiques

Par :
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
Matricule : 15S2382
Licencié en Physique

Institut Polytechnique des Sciences Avancées de Paris Université de Yaoundé I

Celui qui lira cette page risquera de croire que celle-ci a été écrite en premier, ce qui n'est évidemment pas le cas car, dit-on souvent, le meilleur se garde pour la fin. Il est difficile pour moi d'exprimer par écrit la reconnaissance et la gratitude qui reviennent aux personnes m'ayant aidé, encouragé et soutenu pendant cette période chevaleresque de ma vie. J'espère que vous tous et toutes sentirez la sincérité rattachée à mes remerciements. Je tiens alors à rappeler que, si ce qui suivra a été écrit avec la tête, cette page elle est écrite avec le coeur.

Tout d'abord, je tiens à exprimer ici toute ma reconnaissance à Dieu de qui sont venus tous les moyens nécessaires pour l'aboutissement d'un tel travail, mes mots ne suffiront pas pour Lui exprimer ma gratitude.

J'exprime mes vifs remerciements au Professeurs NDJAKA Jean Marie Bienvenu et YETNA Michel, mes directeurs de mémoire qui ont accepté de m'encadrer tout au long de ce travail. Merci de m'avoir fait confiance, en respectant mes choix. Non seulement vous m'avez imprégné des bases de la méthode et de la rigueur scientifique, mais aussi vous m'avez appris des valeurs humaines et d'intégrité. Trouvez ici toute ma reconnaissance et ma gratitude.

Un merci particulier au Professeur YETNA Michel. Merci pour sa disponibilité, ses conseils et sa promptitude à répondre à mes différentes questions. Malgré la distance et vos multiples occupations, vous avez toujours trouvé du temps pour me tenir la main.

Je remercie particulièrement tous les enseignants qui, malgré leurs multiples occupations, ont accepté de participer à mon jury de soutenance.

J'ai naturellement une pensée forte pout tous mes enseignants du Département de Physique de la Faculté des Sciences de l'Université de Yaoundé I, sans qui je ne serais pas arrivé à ce niveau. Un merci particulier aux enseignants du laboratoire Sciences des Matériaux : Professeur NDJAKA Jean Marie Bienvenu, Professeur ZEKENG Serge, Professeur NDOP Joseph, Professeur Annie WAKATA, Dr TCHOFO Fidèle, Dr FEUDJIO David, Dr EDONGUE Hervais, Dr OTTOU ABE Matin Thierry, Dr ETINDELE Anne Justine, Dr TEYOU NGOUPO Ariel.

Sans le soutien inconditionnel de ma famille, il m'aurait été impossible de rédiger ce mémoire et surtout, de poursuivre mes études jusque-là.

Je tiens à remercier ici mes parents : Monsieur NGUEKOND Fridolin et Madame NGUE Chantal née NGO NEMI, Monsieur BENGA Severin et Madame BENGA Marie De-liz née NGO KOMOL, Monsieur BILLONG Job Salomon et Madame BILLONG Clotilde, Maman

Micheline NGO KOMOL, le couple MOUKOURI merci d'avoir toujours été là pour moi, puisse ce travail vous honorer. Sachez que pour chaque goutte de sueur que j'ai versée pour ce travail, vous en avez versé cent pour me soutenir.

Un merci spécial à mes soeurs KOMOL Angeline, NGO KOMOL Orly, NGO KOMOL Micheline Perrette, OUM Kutcher, BENGA Ghislaine, BENGA Tatiana, à mes frères KOMOL NGUE KOND Emmanuel, KOMOL AMOS Stéphane, HOS MBOUI Otto Claude, KOND BILLONG DONALD pour m'avoir soutenu tout ce temps et surtout d'avoir toujours supporté toutes mes intrigues.

Mention spéciale à toi DOUNGUIA Carelle Épse KOMOL pour tes conseils et ta promptitude à toujours vouloir me venir en aide.

J'ai une pensée particulière pour vous qui n'aviez jamais cessé de me soutenir tant spirituellement que moralement. C'est aussi en pensant à vous que je suis allé au bout de mes efforts. Vous êtes : NGUEKOND Fridolin, NGO NEMI Chantal, NGO KOMOL Marie De-liz, KOMOL Angeline, KOMOL Micheline, Simon MANGUELE (et tout le peuple de la MISCREV de Ngousso), DOUNGUIA Carelle.

Je serais impardonnable si je manquais d'adresser ici mes sincères remerciement à mes camarades de promo ANEFO Patricia, ASSANGA Lopez, BISSI Ferdinand, BOMBA Richard, KAMGA Arauld, KAMGANG Aubin, KOWA Ibrahim, MOULIOM PAGNA, NDANG Kevin, NGOUME NDEMA Cédric, NOUDJI Vincent, NZEBENG Dilane, OSSE Benjamin, OWONO MEBA Djames, Samuel TAGUIEKE, SOP Leonel, TAMOKOUE Linda, TANKEU YANKAM, YONTA Julio et ZEBAZE Ginette. J'y suis parvenu grâce à l'ambiance conviviale qu'on a toujours su entretenir.

Au couple ABESSOLO, ESSAMA Aurélien, ainsi qu'à tous les membres du Club Physique de l'Université de Yaoundé I, votre indéfectible amitié et la grande complicité qui anime notre relation ont été pour moi un atout. Merci encore d'être là pour moi.

À toi Euphraisie, ton soutien et tes encouragements ont été pour moi un véritable pilier. Grand merci à toi.

Je tiens également à remercier toute la communauté d'Otaku du groupe Otaku RPG Univers et en particulier à son administrateur Guilaine dite « Tsunade ».

À tous ceux qui de près ou de loin ont contribué d'une manière ou d'une autre à l'aboutissement de ce travail, ainsi qu'à tous ceux qui estiment que leur nom devrait figurer ici.

3.1.1 Effet des paramètres procédés sur la morphologie de surface du cordon 48

3.1.2 Effet de la Densité d'Énergie Volumique sur le régime de fusion 50

Tableau 1-2: liste des éléments comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication

Tableau 1-4: éléments comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication formative

14
Tableau 1-5: Liste des procédés de Fabrication Additive de la norme NF ISO 17296-2 [39].

Tableau 2-1: Conception de l'expérience (DOE) pour les pistes à balayage unique 38

Tableau 2-2: Propriétés thermo-physiques utilisées pour les simulations 46

Tableau 3-1: Données d'entrée considérée comme valeur de référence 61

Figure 1-1: Principe de la fabrication additive en 5 étapes, d'après P. Muller 6

Figure 1-2 : (a)* Évolution de la part (en million d'euro) du marché mondial de l'impression

3D (b)* Répartition des projets par type d'application (Rapport PIPAME, 2017). 7
Figure 1-3 : Éléments aérospatiaux fabriqués par la technologie FA : (a) Pale de turbine, et

(b) Pale intégrée [32]. 16
Figure 1-4 : Éléments automobiles fabriqués par la technologie FA : (a) Boîtier de pompe à huile produit par fusion par faisceau d'électrons (EBM), (b) boite de vitesse d'une voiture de

course produite par EBM, et (c) collecteur d'échappement produit par SLM [31] 16
Figure 1-5 : Pièces biomédicales fabriquées par les technologies FA : (a) Prothèse dentaire construite à l'aide de SLM, (b) Tiges de hanche fabriquées à l'aide de EBM, et (c) Pont

dentaire à 3 éléments produit à l'aide de SLM [31]. 17
Figure I-6 : Un circuit opérationnel construit par la méthode de dépôt par fusion (FDM)

Figure I-7 : Produits artistiques construits par les technologies FA [37] 18

Figure 1-8 : Principaux domaines d'application de la fabrication additive de pièces [38] 18

Figure 1-9 : Schéma de fonctionnement de la photopolymérisation en cuve [42] 20

Figure 1-10 : exemple de réalisation de pièces par polymérisation laser, source ressource «

Figure I-11 : Schéma de fonctionnement de la projection de matière [42]. 21

Figure 1-12 : Exemples de réalisation de pièces par projection de gouttes [47]. 21

Figure 1-13 : Schéma de fonctionnement du dépôt de fusion au travers d'une buse

chauffante (Extrusion de Matière) [42]. 22
Figure 1-14 : Exemples de réalisation par fusion au travers d'une buse chauffante [50]. . 22

Figure 1-15 : Schéma de fonctionnement de l'assemblage de couches (Stratification De

Figure 1-16 : Exemple de réalisation par stratification de couches [47]. 23

Figure 1-17: Schéma de fonctionnement de la projection de liant sur un substrat de poudre

Figure 1-18 : Exemple de réalisation de pièce par projection de liant [50]. 24

Figure 1-20 : Exemples de réalisation de pièces par fusion sur lit de poudre [51]. 26

Figure I-21 : Schéma du principe de dépôt de matière sous énergie concentrée [42]. 26

Figure 1-22 : exemple de réalisation par le procédé de dépôt de matière sous énergie

concentrée [47]. 27
Figure 1-23 : Schéma du procédé de Fusion Sélective Par Laser (SLM), d'après Popular 3D

Figure 1-25 : Paramètres du procédé SLM, d'après L. Van Belle [60]. 31

Figure 2-1: Vue schématique du processus de fusion laser sur lit de poudre équipé d'un

système de caméra infrarouge haute vitesse [72] 37
Figure 2-2 : Caractéristiques morphologiques intrinsèques d'une trace de fusion mesurables

Figure 2-3 : Vue d'ensemble schématique de la configuration numérique 44

Figure 3-1: Topologie de surface des cordons obtenus sur un substrat en Ti6Al4V 49

Figure 3-2: Micrographie de cordons déposés avec la DEV (21 J/mm3) pour différentes

Figure 3-3: Coupes transversales du bain de fusion sous différentes puissances et vitesses de

balayage pour (a) le substrat et (b) le cas du lit de poudre. 52
Figure 3-4: Variation des dimensions du bain en fonction de la densité d'énergie volumique

(DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b) substrat avec poudre du même matériau 54
Figure 3-5: Variation de l'aspect rapport profondeur/largeur du bain en fonction de la densité d'énergie volumique (DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b) substrat avec

poudre du même matériau. 55
Figure 3-6: Prédiction de la forme d'un simple cordon obtenu à partir des paramètres

d'impression S16 et T16 56
Figure 3-7: Section transversale prédite d'une piste unique et résultats numériques (ligne noire) comparés aux observations expérimentales pour (a) le substrat S16 et (b) le lit de

poudre T16. 57
Figure 3-8: Profondeur et largeur du bain de fusion mesurées et prédites sous différentes

puissances de faisceau laser et vitesses de balayage pour le cas du substrat. 58
Figure 3-9: Coefficient d'absorption en fonction de la température pour l'alliage Ti6Al4V

étudié. 59
Figure 3-10: Comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux après calibration

du coefficient d'absorption pour la piste S16. 59
Figure 3-11: Cas P = 200 W, V = 1000 mm/s - interface métal / gaz - contours de température

Figure 3-12: Indice de sensibilité sur la profondeur du bain de fusion 62

RESUME

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. De nombreux problèmes techniques doivent encore être surmontés pour faire du SLM un procédé de fabrication viable. C'est le cas de l'état de surface des pièces obtenues à partir de ce procédé qui est intimement lié à l'influence des paramètres procédés. Dans ce contexte, les travaux menés auront pour objectifs : 1) d'étudier l'influence de certains paramètres procédés tels que la puissance du faisceau laser, la vitesse de balayage et la densité d'énergie volumique (DEV) au cours du procédé de fabrication et 2) de faire une analyse de sensibilité desdits paramètres. Dans un premier temps en considérant des géométries simples (largeur et profondeur du bain de fusion) en alliage de Titane Ti6Al4V, on étudiera l'influence de la puissance laser, de la vitesse de balayage et de la densité d'énergie volumique sur la morphologie en surface et en profondeur des cordons obtenus par SLM au cours de l'interaction faisceau laser-lit de poudre/bain de fusion. Une analyse numérique sera faite afin de corroborer ou non les résultats expérimentaux. Par la suite grâce au module de simulation melting (module de simulation du bain de fusion) développé par ESI Group, une analyse de sensibilité sera effectuée afin de visualiser au mieux les entrées susceptibles d'influencer les plus les sorties simulées : la largeur et la profondeur du bain de fusion.

Mots clés : Fabrication Additive, procédé de fusion sélective par laser (SLM), modélisation numérique, alliage Ti6Al4V, keyhole.

ABSTRACT

Selective Laser Melting (SLM) of a metal powder bed is an additive manufacturing process that allows the manufacture of complex shaped parts directly from a CAD file through the total melting of successively deposited powder layers. Many technical issues still need to be overcome to make SLM a viable manufacturing process. This is the case of the surface finish of the parts obtained from this process which is intimately linked to the influence of the process parameters. In this context, the objectives of the work carried out will be: 1) to study the influence of some process parameters such as laser beam power, scanning speed and volume energy density (VED) during the manufacturing process and 2) to perform a sensitivity analysis of these parameters. First, considering simple geometries (width and depth of the melt) in Ti6Al4V Titanium alloy, we will study the influence of the laser power, the scanning speed and the volume energy density on the surface and depth morphology of the beads obtained by SLM during the laser beam-powder bed/melt bath interaction. A numerical analysis will be done to corroborate or not the experimental results. Then, thanks to the melting simulation module developed by ESI Group, a sensitivity analysis will be performed in order to visualize at best the inputs likely to influence the most the simulated outputs: the width and the depth of the melt bath.

Key words: Additive Manufacturing, selective laser melting (SLM) process, numerical modeling, Ti6Al4V alloy, keyhole.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

La fabrication additive est un ensemble procédé innovant en plein essor depuis quelques années. Elle s'oppose aux procédés de fabrication soustractive (l'usinage par exemple) ou par déformation (le forgeage par exemple) en permettant de fabriquer des pièces couche par couche à partir d'un fichier 3D. Des designs difficilement fabricables, voire impossible à fabriquer par des procédés conventionnels et la personnalisation en masse d'objets simples peuvent ainsi être réalisés.

La fusion sur lit de poudre est un de ces procédés. Il permet de fabriquer des pièces métalliques à partir de poudre. Les pièces fabriquées ont une bonne précision géométrique et il est l'un des procédés laissant la plus grande liberté de design. C'est pour ces raisons qu'il est utilisé dans le domaine aéronautique et spatial pour fabriquer des pièces métalliques, malgré une vitesse de fabrication plus lente et une taille de pièces fabricable plus restreinte par rapport à d'autres technologies. Parmi ces procédés on trouve celui de fusion sélective par laser d'une poudre métallique (SLM). Ce procédé permet de fabriquer des pièces par une fusion totale et successive de couches de poudre métallique, sur la base d'un modèle 3D établi en conception assistée par ordinateur (CAO).

Au cours du procédé SLM, de nombreux phénomènes physiques tels que la fusion, l'évaporation du métal, la projection des particules, la solidification...et d'importants cycles thermiques s'y produisent suite à l'apport d'énergie du laser. Ces phénomènes dépendent des paramètres procédés utilisés et certains peuvent nuire à la qualité des pièces obtenues.

Avant d'utiliser ces pièces de façon industrielle dans les équipements, une maitrise du procédé SLM est nécessaire. La maitrise de ce procédé passe en général par une lourde phase expérimentale. La modélisation numérique représente une alternative et permet de prédire l'influence des paramètres procédés. Dans la littérature, les chercheurs traitent principalement de l'effet des paramètres liés au laser tels que la variation de la puissance et la vitesse de balayage où de ceux qui sont liés à la matière comme la composition du matériau et l'épaisseur du lit de poudre.

Ces travaux ont permis de développer de nombreux modules de simulation numérique à toutes les échelles de simulation (micro, méso et macro). Afin de valider la reproductibilité de ces modules et d'améliorer leur qualité, il est nécessaire d'étudier l'effet respectif des entrées de ces modules sur leur sortie simulée : c'est l'analyse de sensibilité.

INTRODUCTION GÉNÉRALE

L'objectif de ces travaux s'articule autour de l'analyse de sensibilité des paramètres susceptibles d'influencer la performance des pièces obtenues par fusion sélective par laser aux fins de répertorier au mieux les paramètres procédés les plus influents.

Ce sujet a été abordé tout d'abord expérimentalement puis numériquement tout en s'appuyant sur des travaux empiriques qui ont permis de vérifier les hypothèses spécifiques considérées en modélisation, soit d'éclairer en profondeur certains phénomènes intervenant au cours du procédé SLM ou encore de valider les prédictions expérimentales.

Le modèle numérique développé permet ainsi l'analyse de sensibilité du modèle de simulations des procédés de fabrication additive sur lit de poudre métallique.

Dans ce cadre, le mémoire de cette étude a été divisé en trois chapitres :

Dans le chapitre I, le contexte de l'étude sera présenté. Le principe de la fabrication additive, ses avantages et ses limites seront rappelés. Un état d'art sur une étude comparative des méthodes formative et soustractive par rapport à la fabrication additive sera fait. Les principales technologies de la fabrication additive seront rapidement décrites en accentuant sur la fusion sur lit de poudre.

Dans le chapitre II, les matériaux et les méthodes utilisés seront décrit.

Dans le chapitre III, d'une part seront présentés les résultats expérimentaux et numériques obtenus et d'autre part une étude de sensibilité du procédé SLM à l'échelle microscopique sera également présentée.

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE

Nous nous proposons dans ce chapitre de présenter la notion de Fabrication Additive (FA). Pour se faire, ce dernier sera articulé autour de trois axes. Le premier portera sur les généralités de la fabrication additive. Dans cette section, il sera question de mettre en relief le principe de la FA, ses avantages et ses limites ainsi que ses différents domaines d'applications. Par la suite un focus portera sur les différentes technologies de la FA. Une attention particulière sera accordée à la technologie de Fusion Sur Lit De Poudre plus précisément au procédé SLM (Selective Layer Melting). Enfin nous parlerons sans toutefois entrer dans les profondeurs (rôles et modélisation multi échelles) de la simulation et de la modélisation en FA.

1.1. Introduction

La fabrication additive en abrégée FA (en anglais : Additive Manufacturing) [1] est connue du grand public par la terminologie « Impression 3D » [2]. Elle désigne l'ensemble des procédés utilisés pour la création de pièces physiques par ajout séquentiel de matière à partir d'un model numérique (CAO) selon la norme ISO/ASTM 52900 :2015, sans recourir à un outillage spécifique [1]. Elle s'oppose aux procédés de production conventionnel où la matière est soit soustraite (usinage, découpage), soit déformée (forge, laminage) ou moulée (fonderie). Dans un premier temps, cette méthode de fabrication était utilisée principalement par les industries pour le prototypage rapide [3]. Les pièces obtenues sont utilisées en tant que maquettes dans les bureaux d'étude pour valider la forme définitive d'un produit donné. Avec le temps, les progrès réalisés sur cette technologie et la sensibilisation des industriels ont ouvert la porte à la production des pièces fonctionnelles en petites séries [2].

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, la fabrication additive n'est pas une invention récente. En effet, le premier brevet a été déposé dans les années 1971 par l'inventeur français Pierre Ciraud [4]. Il présente une technologie de consolidation sélective de poudre métallique par un laser. En suite au milieu des années 80, on trouve la Stéréolithographie (photo polymérisation d'une résine) qui a été développée dans les laboratoires de l'École Nationale de Nancy en France par l'équipe du professeur Jean-Claude André et breveté en 1984 [5]. Peu de temps après, un brevet similaire sera déposé aux USA par l'américain Chuck Hull. Il débutera son exploitation commerciale avec la création de sa propre entreprise, 3D System [6].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Aujourd'hui, la fabrication additive est devenue une technique de fabrication complémentaire à celles déjà existantes, permettant ainsi le développement de nouvelles compétences innovantes [7] et la réalisation de nouveaux types de pièces [2]. Ces progrès et leur efficacité ont fait de la FA une méthode de fabrication incontournable voir même indispensable dans de nombreux domaines tels que l'aéronautique civile et spatiale [8], [9], [10], l'automobile, le sport [11], le biomédical [12], [13], [14], pour ne citer que ces derniers. Par exemple, l'aéronautique et l'aérospatial qui voient là un moyen d'accroitre la performance de leurs structures en pouvant augmenter de façon optimale le ratio « performances mécaniques/masse ». Ainsi, la FA permet de réduire de façon considérable le nombre de pièces d'un assemblage, et donc de diminuer les étapes de construction et la masse additionnelle liée aux assemblages.

Les procédés de fabrication additive permettent la mise en oeuvre d'une grande variété de matériaux. En 2015, on estime à 88% la part des activités de la FA concernant les polymères, 10% pour les matériaux métalliques. Les 2% restant sont attribués à la mise en oeuvre des matériaux céramiques, de composites et autres matériaux tels les biomatériaux. Dans un souci de compréhension et d'appréhension, ce chapitre marquera l'accent sur deux grandes sessions : l'une qui portera sur une présentation globale de la FA et l'autre sur les technologies liées à cette dernière.

1.2 Généralités Sur La Fabrication Additive

Cette session présente brièvement la technologie de fabrication additive (FA) à travers son principe, ses avantages et ses limites afin de dresser une étude comparative avec d'autres méthodes de fabrication telles que la fabrication soustractive et formative, d'identifier ces applications et de mettre en lumière le contexte actuel de la fabrication additive.

1.2.1 Principe De La Fabrication Additive

La fabrication additive est un groupe de procédé consistant à assembler des matériaux pour fabriquer des pièces à partir des données de modèle en 3D selon la norme ISO/ASTM 52900-2015[15]. À ce titre, elle regroupe plusieurs technologies ou méthodes de fabrication moderne en son sein basé sur l'utilisation d'un modèle numérique. Le principe général des procédés de fabrication additive se divise plus ou moins (selon les littératures) en 5 étapes :

- La conception d'un objet numérique par l'intermédiaire d'un logiciel de Conception Assisté par Ordinateur (CAO) qui définit les contraintes morphologiques de la pièce à réaliser ;

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

- L'exportation de l'objet sous forme d'un fichier informatique, généralement au format «. Stl » ou «. Amf » ;

- L'importation du fichier dans un logiciel permettant de définir la stratégie d'élaboration de l'objet, ainsi que les paramètres du procédé ;

Figure 1-1: Principe de la fabrication additive en 5 étapes, d'après P. Muller

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.

1.2.2 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. De nombreux secteurs industriels (aérospatial, médical, industrie automobile) se penchent sur les nouvelles technologies, représentant plus de 60 % du

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

marché de la fabrication additive, avec des taux de croissance de 15 à 25 % pour les cinq prochaines années.

Figure 1-2 : (a)* Évolution de la part (en million d'euro) du marché mondial de l'impression 3D
(b)* Répartition des projets par type d'application (Rapport PIPAME, 2017).

1.2.3 Avantages

L'usage de la fabrication additive ou impression 3D présente de nombreux intérêts aussi bien pour les particuliers comme pour les professionnels. Les principaux avantages liés à cette technologie sont ;

- Liberté de design : Les pièces en fabrication additive étant construites couche par couche, le procédé offre une grande liberté de design. Il est possible d'ajouter des fonctionnalités aux pièces (principalement des canaux) [16] ou de diminuer leur masse, la disparition des contraintes induites par l'outillage ou par le matériau brut initial. L'optimisation topologique, notamment, permet d'optimiser le design des pièces en insérant uniquement la quantité de matière qu'il faut à l'endroit où il faut pour supporter les différentes contraintes (mécaniques, thermiques, géométriques...) [17]. Ces pièces sont optimisées dans la plupart des cas pour diminuer la masse, mais elles peuvent aussi l'être pour améliorer les performances thermiques ou autres. Des pièces très complexes sont désormais réalisables par fabrication additive [18] [19]. Dans le but de toujours améliorer la qualité des pièces, d'optimiser la matière ou d'éviter les supports, des guides de conceptions ont été créé [20].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

- Pas d'outillage : Contrairement aux procédés conventionnels où un outil de coupe ou un moule, peuvent être nécessaires, le procédé de fabrication additive ne nécessite aucun outillage. La matière est créée et mise en forme en même temps [21].

- Réduction du nombre d'assemblages : Afin d'éviter les défauts pouvant apparaitre lors de certains procédés d'assemblage (brasage...) et de gagner du temps de fabrication, certains assemblages peuvent être supprimés pour fabriquer une pièce en une seule entité. Il est par exemple possible de passer d'un assemblage de plusieurs pièces vissées à une pièce unique [22].

- Procédé écologique : Le procédé est considéré comme écologique car peu de matière est perdue. En effet, il n'y a de la matière qu'aux endroits où elle est nécessaire. Cela implique la réduction du ratio « buy to fly » (rapport de la quantité de matière nécessaire à la fabrication d'une pièce par la quantité de matière effective de la pièce) [21]. De plus, dans le cas de certains procédés, la matière qui n'est pas utilisée peut parfois être récupérée, traitée et réutilisée [23].

1.2.4 Les Limites

Les avantages de la fabrication additive sont bien connus. Les limitations sont également assez importantes et peuvent compromettre la croissance future de l'industrie. Actuellement, la fabrication additive permet et facilite la production en quantités diverses de produits qui peuvent être personnalisés individuellement, tout en réduisant la consommation d'énergie, le coût et l'empreinte carbone de l'opération ou encore en raccourcissant les chaînes d'approvisionnement. La technologie présente cependant un certain nombre de limites liées aux caractéristiques des technologies existantes et à l'état actuel de son développement. Celles-ci peuvent être liées aux caractéristiques mêmes des technologies de fabrication additive, qui ne peuvent être résolues que par un développement et une augmentation de leurs capacités actuelles, ou aux limitations non technologiques, manque d'adaptation ou d'expérience des technologies qui empêchent la pleine exploitation des capacités.

1.2.4.1 Limites technologiques

- État de surface : L'état de surface des pièces en sortie de machine est davantage rugueux en comparaison avec les procédés conventionnels. Des post-traitements plus ou moins importants suivant l'application sont nécessaires [24], comme le sablage qui peut être utilisé sur les surfaces externes des pièces.

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

- Logiciel : Il n'existe pas pour le moment de logiciel de CAO permettant de concevoir et analyser les pièces destinées à la fabrication additive (analyse des géométries, besoin de supports, structures en treillis, multi-matériaux) [18]. Cependant, de nombreux logiciels sont en développement et permettront de compléter et améliorer les outils de conception existants.

- Supports : Certaines géométries de la pièce nécessitent des supports permettant de conduire la chaleur, et surtout, de maintenir la pièce lors de sa fabrication. Ils sont nécessaires dans les cas de fabrication de parois horizontales ou fortement inclinées [25]. Ces supports peuvent être compliqués à retirer et entrainer de mauvais états de surface.

- Les capacités des machines, qu'il s'agisse du volume de fabrication, de la vitesse d'impression, des résolutions, des contrôles des processus ou encore de la taille des pièces.

- Le déploiement de la technologie entraînant des besoins en sécurité, en formation spécialisée et en infrastructures.

1.2.4.2 Les limites non technologiques

Les principales limites non technologiques ne sont pas seulement liées au manque de compétences en conception et en ingénierie ainsi qu'à l'absence d'opérateurs techniques, mais plus particulièrement aux problèmes de normalisation, de qualification et de certification. Les limites en termes de normalisation sont les suivantes :

- L'absence des directives de conception : Plusieurs technologies de fabrication additive ont des caractéristiques différentes qui nécessitent des directives de conception spécifiques, tandis que les produits logiciels actuels n'ont pas encore le potentiel ou les capacités nécessaires pour aider l'ensemble des applications de conception.

- L'absence d'équipements standards : De nombreuses technologies fonctionnent sur différentes machines, chacune avec des spécifications de matériaux différentes, de volumes de fabrication, de précisions, d'épaisseurs de couche, etc. Il est difficile pour les utilisateurs potentiels d'avoir un planning de normalisation clair en ce qui concerne, par exemple, le post-traitement des pièces fabriquées.

- L'absence de norme pour la production : Les applications en fabrication additive connaissent une forte croissance mais nécessitent la normalisation de l'ensemble de la chaîne de valeur industrielle.

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.2.5 Comparaison Par Rapport Aux Méthodes Soustractive Et Formative 1.2.5.1 Focus Sur La Méthode Soustractive Et Additive

La fabrication soustractive est le terme générique désignant divers processus d'usinage et d'enlèvement de matière contrôlés qui commencent par des blocs solides, des barres, des tiges de plastiques, de métal ou d'autres matériaux qui sont façonnés par enlèvement de matière par découpe, alésage, perçage et meulage [26]. Ces processus sont soit exécutés manuellement, soit plus communément pilotés par commande numérique par ordinateur (CNC).

En CNC, un modèle virtuel conçu dans un logiciel de CAO sert d'entrée pour l'outil de fabrication. La simulation logicielle est associée à une entrée utilisateur pour générer des parcours d'outil qui guident l'outil de coupe à travers la géométrie de la pièce. Ces instructions indiquent à la machine comment effectuer les coupes, les canaux, les trous et toute autre caractéristique qui nécessitent un enlèvement de matière, en tenant compte de la vitesse de l'outil de coupe et de la vitesse d'avance du matériau. Les outils CNC fabriquent des pièces sur la base de ces données de fabrication assistée par ordinateur (FAO), avec peu ou pas d'assistance ou d'interaction humaine.

Les processus de fabrication soustractive sont généralement utilisés pour créer des pièces en plastique ou en métal pour le prototypage, la fabrication d'outillage et les pièces finales. Ils sont idéaux pour les applications qui nécessitent des tolérances serrées et des géométries difficiles à mouler, couler ou produire avec d'autres méthodes de fabrication traditionnelle.

Comme toute méthode de fabrication, la fabrication soustractive regroupe en son sein plusieurs processus de fabrication consignés dans le tableau suivant [27] :

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Dans ce paragraphe, nous allons ajouter à ce qui a déjà été énoncé plus haut certains éléments afin de faire une étude comparative entre les deux méthodes de fabrication.

Contrairement au processus soustractif d'élimination de matériau d'une pièce plus grande, les processus de fabrication additive ou impression 3D construisent des objets en ajoutant du matériel une couche à la fois, chaque couche successive se liant à la couche précédente jusqu'à ce que la pièce soit complète [1].

Tout comme les outils CNC soustractifs, les technologies de fabrication additive créent des pièces à partir des modèles CAO. La préparation d'impression ou de tranchage est principalement automatisée, ce qui rend la configuration du travail beaucoup plus facile et plus rapide qu'avec les outils CNC. En fonction de la technologie, l'imprimante 3D dépose le matériau, fond et fusionne de manière sélective la poudre ou polymérise des matériaux photopolymères liquides pour créer des pièces basées sur les données CAM. Les pièces imprimées en 3D nécessitent souvent une certaine forme de nettoyage et de finition pour atteindre leurs propriétés finales et leur apparence avant d'être prêtes à être utilisées [26].

La fabrication additive est idéale pour une gamme d'applications d'ingénierie et de fabrication, y compris le prototypage, l'outillage de fabrication et les modèles de moulage, ainsi que la production à court terme, la production de ponts et la fabrication sur mesure de pièces finales. Les imprimantes 3D offrent un très haut degré de conception et peuvent produire des conceptions complexes qu'il serait impossible ou excessivement couteux de créer avec toute autre méthode de fabrication. Les matériaux les plus couramment utilisés dans cette méthode

sont les plastiques et les métaux. Les imprimantes 3D de bureau et de paillasse offrent une
solution abordable pour créer des pièces en plastique, tandis que les métaux sont actuellement limités aux systèmes industriels.

1.2.5.2 Étude Comparative Entre La Méthode Soustractive Et La Méthode Additive

Les procédés soustractifs sont les méthodes de fabrication les plus utilisées. La fabrication additive a ouvert la porte à de nouvelles applications dans plusieurs domaines manufacturiers. Dans le tableau suivant ces deux méthodes sont comparées à l'aide de quelques critères pertinents aux applications industrielles aujourd'hui [26] :

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Critères	Fabrication additive	Fabrication soustractive
Formation	Aussitôt que le CAD est fait par le designer ; Procédé automatisé ;	Opérateur requis : code CNC ou opération manuelle ;
Taux de production	Procédé lent mais qualité et propriétés supérieures	Production en masse, rapide ;
Variété de matériaux	Température de fusion assez basse ; Augmente avec le progrès de la technologie	Non relié à la température de fusion ; Assez variés
Perte	Moins de gaspillage de matériel- principalement les supports ;	Plus de gaspillage-en copeaux, ferrailles, etc
Finition	Nettoyage et finition requise (pour la plupart des cas) ;	Les finitions se font durant la fabrication de la pièce
Maintenance	Nettoyage régulier	Nettoyage régulier ; Changement d'outils usés (contact, friction, chaleur,
Conception	Un degré plus élevé de liberté dans le design ; Pièces plus complexes ; Flexibilité en terme densité de pièce ; Pièces fusionnées, moins de pièces à assembler avec des boulons, écrous et vis ;	Limité aux restrictions de mouvements et outils utilisés ; Complexités de pièces est limitée ; Densité fixe ; Quantité supérieure de pièces
Délai d'exécution	Peut-être incroyablement rapide (<24 heures)	Les délais sont rapides, généralement sous 5 jours les pièces demandées sont disponibles
Coût	Idéal pour une production ponctuelle ou à faible volume, ou pour la production de géométries complexes ; Les couts de mise en place après conception sont faibles	Meilleure option pour la production de pièce à faible et moyen volume (10 à 100) ; Les investissements initiaux dans la configuration de la machine ne sont pas bon marché, mais des pièces individuelles peuvent alors être produites à un prix unitaire assez bas

Tableau 1-2: liste des éléments comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication

Bien que les procédés additifs et soustractifs présentent des différences apparentes, ils prennent souvent des rôles complémentaires dans le cycle de vie d'un produit en industrie. L'arrivée des procédés additifs a révolutionné le prototypage. Malgré les nombreux avantages qu'apporte la fabrication additive, la fabrication soustractive est toujours considérée comme la méthode traditionnelle et fiable pour les compagnies de production en masse. Notamment avec l'exploration de nouvelles technologies comme la découpe par laser et l'EDM, cette technologie ne risque pas de disparaitre [27].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.2.5.3 Focus Sur La Fabrication Formative

Elle peut se définir comme étant l'ensemble des procédés de formage utilisant des contraintes telles que la compression, la tension, le cisaillement ou une certaine combinaison pour provoquer la déformation plastique d'un matériau en une forme souhaitée. Ce processus de fabrication concerne généralement les plastiques et les métaux peuvent être complétés en utilisant une grande variété de matériaux. Il permet également aux fabricants de fabriquer un seul produit à partir de différents matériaux en même temps. Au cours de ce processus de fabrication, aucun matériau n'est ajouté ou soustrait. La pièce à usiner est seulement déformée ou déplacée. Les matériaux linéaires tels que le tube, le tuyau ou la tige en acier et les matériaux en feuille tels que la plaque d'acier ou le thermoplastique peuvent être pliés, courbés, tranchés, gaufrés ou déformés en forme par l'application d'une pression externe et/ou la chaleur. Une telle transformation nécessite des outils qui peuvent se plier et/ou se déformer à l'aide de moules, poinçons, de matrices d'estampage ou d'outils de pliage. La consommation de matière est plus importante dans ce processus lorsque des moules sont utilisés. Cette méthode de fabrication présente plusieurs procédés de fabrication donnés dans le tableau suivant [28] :

Procédés	Caractéristiques
Moulage par injection	Le matériau fondu est injecté dans un moule intérieur. Lorsque le matériau refroidit et durcit, il prend la configuration formelle de la cavité.
Roto moulage ou moulage par rotation	Procédé dans lequel la matière première (généralement sous forme de poudre) est injectée dans un moule creux chauffé. Le moule tourne lentement sur un ou plusieurs axes
Formation unique point (SPF)	Processus dans lequel le matériau en feuille est incrémenté en une forme tridimensionnelle souhaitée, généralement par un outil à pointe ronde. C'est l'équivalent CNC
Ancien Vide	Le formage sous vide est une méthode de thermoformage. Le matériau en feuille (généralement en plastique) est placé dans le cade dans le formateur sous vide chauffé jusqu'à ce qu'il soit malléable.
Plieuse de tubes CNC (cintreuse de tubes CNC)	Machine contrôlée par ordinateur qui peut créer une série de coudes courbes complexes dans un matériau de tuyau
Rouleau CNC	Machine contrôlée par ordinateur qui peut créer des plis spécifiques dans la feuille et le matériau de base
Presse à poinçonner CNC	Ici la machine utilise des matrices préformées pour poinçonner des formes spécifiques à partir d'un matériau en feuille (généralement de la tôle)
Presse plieuse CNC	On utilise une machine commandée par ordinateur pour effectuer des opérations de pliage sur les matériaux en feuille (généralement de la tôle)

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.2.5.4 Étude Comparative

Dans le tableau suivant méthodes additive et formative seront comparées à l'aide de quelques critères pertinents aux applications industrielles aujourd'hui :

Critères	Méthode additive	Méthode formative
Processus	Construction additive d'une pièce une couche à la fois	Le matériau est formé dans la forme souhaitée par la chaleur et la pression, par exemple le moulage par injection ;
Cout	Idéal pour une production ponctuelle ou à faible volume, ou pour la production de géométries complexes ; Les couts de mise en place après conception sont faibles	Un cout inégalé pour la production à grand volume de pièces identiques ; L'investissement initial en outillage est couteux
Délai	Peut-être incroyablement rapide (<24 heures)	L'outillage en acier pour les volumes de production massifs est complexe et prend du temps, ce qui augmente les délais à plusieurs semaines
Propriétés du matériau	Il n'est pas possible de produire des pièces avec des propriétés matérielles équivalentes à celle de la technique formative	Capable de produire des pièces relativement complexes avec des tolérances élevées et une large gamme de propretés du matériau ; Idéal pour des pièces fonctionnelles
Contraintes de conception	Les pièces peuvent être produites avec presque toutes les géométries	La conception est limitée par le besoin de fonctionnalités de moule telles que des éperons, des glissières et une épaisseur de paroi uniforme
Taux de production	Procédé lent mais qualité et propriétés supérieures	Élevé mais production lente
Variété des matériaux	Température de fusion assez basse ; Augmente avec le progrès de la technologie	Relié à la température de fusion ; Principalement du plastique et des métaux
Perte	Moins de gaspillage de matériel-principalement les supports	Consommation en matière première élevée ; Pas de perte
Maintenance	Nettoyage régulier	Nettoyage régulier

Tableau 1-4: éléments comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication formative

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Si la fabrication additive et soustraction semble jouirent d'une certaine complémentarité, la fabrication formative semble ne pas jouir de cette affinité avec la méthode additive. La fabrication formative, en particulier le moulage par injection, se prête également à une flexibilité créative et financière. En fait, de nombreux fabricants peuvent produire des pièces de haute qualité de n'importe quelle couleur à des coûts par pièce très bas. Mais l'outillage peut avoir un prix élevé, à la fois coût et fonctionnalité, l'outillage est non seulement coûteux, mais nécessite également des délais plus longs, ce qui n'est pas idéal [29].

1.2.6 Applications De La Fabrication Additive

La fabrication additive est aujourd'hui compétitive pour la fabrication de pièces complexes en petites séries ou pour des pièces non fabricables avec d'autres procédés. Elle permet également les concepts de « mass personalization » (personnaliser les objets pour tout le monde) et de « mass customization » (accès à tous pour concevoir et fabriquer des pièces) [30]. Si le monde amateur s'intéresse beaucoup à la technologie avec des machines qui deviennent abordables, permettant de réaliser des petits objets du quotidien en plastique, les industriels de certains secteurs sont eux aussi particulièrement intéressés pour les raisons citées ci-dessus. Le paragraphe suivant porte sur les applications de la FA dans différents domaines (les principaux) tels que l'aérospatiale, l'automobile, le biomédical, l'électricité et d'autres domaines énergétiques.

- Industrie aérospatiale : Les composants aérospatiaux présentent généralement des

géométries complexes et sont fabriqués à partir de matériaux avancés, tels que les superalliages de nickel, les alliages de titane, les aciers spéciaux ou les céramiques à ultra-haute température, qui sont coûteux, longs et difficiles à fabriquer. La plupart des applications industrielles se situent dans la production de moteurs à réaction, de composants structurels de nervures, de boîtiers de turbines, de pales de moteurs, d'aubes, etc. [31].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Figure 1-3 : Éléments aérospatiaux fabriqués par la technologie FA : (a) Pale de turbine, et (b) Pale intégrée [32].

- Industrie automobile : Le développement de nouveaux produits est essentiel pour l'industrie automobile et le développement de nouveaux produits est souvent un processus très coûteux et long. L'industrie automobile utilise la technologie FA comme un outil essentiel dans la conception et le développement de composants automobiles et de pièces structurelles et fonctionnelles, tels que les arbres de transmission, les composants de boîtes de vitesses, les échappements de moteurs, les pistons, les roues et les arbres de transmission pour les véhicules [31].

Figure 1-4 : Éléments automobiles fabriqués par la technologie FA : (a) Boîtier de pompe à huile produit par fusion par faisceau d'électrons (EBM), (b) boite de vitesse d'une voiture de course produite par EBM, et (c) collecteur d'échappement produit par SLM [31]

- Application biomédicale : La FA est un procédé qui permet de sauver des vies dans le secteur médical. Les développements récents dans le domaine des biomatériaux, de la biomédecine et des sciences biologiques ont élargi l'application des techniques de FA dans le domaine biomédical à des produits tels que les implants orthopédiques, les applications dentaires, les organes artificiels, les échafaudages tissulaires, les dispositifs

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

médicaux, les vessies artificielles, la bio-impression, les organes peints, les réseaux de microvasculature et les puces biologiques [33].

Figure 1-5 : Pièces biomédicales fabriquées par les technologies FA : (a) Prothèse dentaire construite à l'aide de SLM, (b) Tiges de hanche fabriquées à l'aide de EBM, et (c) Pont dentaire à 3 éléments produit à l'aide de SLM [31].

- Industrie électronique : L'industrie électronique couvre des applications allant des téléphones mobiles et des ordinateurs aux voitures. Les produits électroniques sont souvent de petite taille et nécessitent des outils de haute précision pour le processus de fabrication. La production d'électronique embarquée représente un autre champ d'application. En outre, l'AM est déjà utilisé pour des produits tels que l'intégration de dispositifs d'identification par radiofréquence (RFID) à l'intérieur d'objets métalliques, la fabrication d'objets en 3D à base de polymères, etc. Les systèmes micro électromécaniques, les circuits micro-ondes et toutes sortes de pinces [34].

Figure I-6 : Un circuit opérationnel construit par la méthode de dépôt par fusion (FDM)

- Industrie de l'art : Les technologies FA sont un outil très puissant pour l'artiste dans la mode, et le mobilier a donné la possibilité de produire virtuellement la forme la plus

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

complexe imaginable. Certaines entreprises peuvent construire des compléments d'ameublement et des accessoires, y compris des vêtements, en utilisant la FA [36].

En plus des principaux secteurs cités précédemment, nous avons aussi des applications dans les domaines tels que la mode, le cinéma, l'architecture, etc.

En dehors des applications citées plus haut, d'autres domaines d'applications ont adopté cette nouvelle technologie qui semble ne pas connaitre de frontières en termes de secteurs d'applications.

Figure 1-8 : Principaux domaines d'application de la fabrication additive de pièces [38]

1.3 Les Technologies De La Fabrication Additive

Les différentes catégories de procèdes de fabrication additive sont listées dans la norme NF ISO 17296-2 [39]. Ces catégories peuvent être classées en fonction de l'état de la matière avant la fabrication. Il peut être sous forme liquide, solide ou sous forme de poudre (Tableau I.2.1).

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Les principes et les catégories décrites dans la norme NF ISO 17296-2 se réfèrent aux technologies disponibles dans le commerce qui se sont avérées utiles dans la pratique et viables sur le marché depuis plusieurs années [39].

État matière première	Catégorie	Exemples de technologies	Source d'activation	Type de matériau
LIQUIDE	Photo polymérisation en cuve	SLA : stéréolithographie DLP : Digital Light Processing	UV, LED	Plastique
LIQUIDE	Projection de matière	MJM : Multi-Jet Modeling	UV	Plastique, Cire
SOLIDE	Extrusion de matière	FDM : Fused-Deposition Modeling	Chaleur	Plastique
SOLIDE	Stratification de couches	UAM: Ultrasonic Additive Manufacturing LOM: Laminated Object Manufacturing	Chaleur	Plastique, métal, papier
POUDRE	Projection de liant	3DP : 3D Printing	Chimique	Plastique, Céramique, métal, plâtre,
	Fusion sur lit de poudre	SLM/SLS: Selective Laser Melting/Sintering DMLS: Direct-Metal Laser Sintering EBM: Electron Bram Melting SMS: Selective Mask Sintering	Chaleur	Plastique, Céramique, métal
	Dépôt de matière sous énergie concentrée	CLAD: Construction Laser Additive Direct LMD: Laser Metal Deposition BPLAM: Blown Powder Laser Additive Manufacturing	Chaleur	Metal

Tableau 1-5: Liste des procédés de Fabrication Additive de la norme NF ISO 17296-2 [39].

1.3.1 La Photopolymérisation En Cuve

La photopolymérisation est le procédé de fabrication additive le plus ancien. Deux brevets ont été déposés en 1986 à une date très proche. L'un par des français Jean-Claude André, Alain de Mehauté et Olivier de Witte [40] et l'autre de l'américain Charles Hull, co-fondateur de l'entreprise 3D System [41].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Une résine photopolymère liquide contenue dans une cuve est photo polymérisée sélectivement couche par couche. La pièce peut être fabriquée à l'endroit ou à l'envers suivant la technologie utilisée et la polymérisation de la résine est activée par une source lumineuse (UV ou LED).

Figure 1-9 : Schéma de fonctionnement de la photopolymérisation en cuve [42]

La technologie de stéréolithographie est la plus courante. Un laser UV est utilisé pour photopolymériser la résine. La technologie DLP utilise une source étendue et un masque. La pièce est fabriquée à l'envers et la source lumineuse traverse une plaque transparente sous la cuve.

Seuls des matériaux plastiques polymérisables de types polycarbonates, ABS et acryliques peuvent être mise en forme par cette technologie [43].

Ce type de technologie a l'avantage d'être très rapide car la couche est fabriquée d'un seul coup. L'état de surface est bon ainsi que les qualités dimensionnelles. Il est principalement utilisé en prototypage rapide ou pour faire des modèles pour des pièces de fonderie car la tenue mécanique des matériaux est limitée.

Figure 1-10 : exemple de réalisation de pièces par polymérisation laser, source ressource « Moulage à cire perdue : du modèle à la pièce » [44]

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.3.2 Projection De Matière

Le principe de fonctionnement est le même que les imprimantes jet d'encre, une tête d'impression dépose de manière sélective des gouttes de matériaux et fabrique couche par couche le modèle par abaissement du plateau de fabrication. Pour la solidification il y'a deux méthodes : le refroidissement ou la photo polymérisation [45]. Dans le cas de la photo polymérisation, une source lumineuse solidifie les gouttelettes projetées directement sur la couche précédente, de la même manière qu'en photo polymérisation en cuve. Dans le cas de la solidification, les gouttelettes sont directement solidifiées sur la couche précédente [43] [46].

Figure I-11 : Schéma de fonctionnement de la projection de matière [42].

Comme matériaux utilisés dans cette technologie, on retrouve des matériaux plastiques photopolymérisables, cires synthétiques, thermoplastiques à bas point de fusion [39].

Avec ce procédé on obtient de très bonnes qualités dimensionnelles et un bon état de surface (détails, belles finitions). Cependant les caractéristiques mécaniques sont limitées, de part les spécificités des matériaux utilisés.

Figure 1-12 : Exemples de réalisation de pièces par projection de gouttes [47].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.3.3 Extrusion De Matière

Le procédé d'extrusion de matière est le plus connu en fabrication additive. Il a été inventé en 1992 par l'américain Scott Crump co-fondateur de l'entreprise Startasys [48].

Une buse dépose un fil de façon sélective couche après couche. Le matériau de départ est un fil fondu qui est fondu avant d'être extrudé par la buse. Le fil adhère sur les couches précédentes pour fabriquer les pièces finales (Figure I.13).

Figure 1-13 : Schéma de fonctionnement du dépôt de fusion au travers d'une buse
chauffante (Extrusion de Matière) [42].

Les matériaux utilisés sont des thermoplastiques : ABS, polycarbonate, cire synthétique, Acide polylactique (PLA) [39].

Il s'agit d'un procédé assez lent, encore plus s'il s'agit d'une pièce massive. Les caractéristiques mécaniques sont limitées au matériau utilisé. La finition et la précision sont des points à améliorer. Il s'agit du procédé le plus connu et le plus mature

Figure 1-14 : Exemples de réalisation par fusion au travers d'une buse chauffante [50].

1.3.4 Stratification De Couches

Le procédé de stratification de couches consiste à fabriquer des couches puis les assembler. La matière initiale est sous forme de rouleau laminé continu ou de plaque laminée

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

discontinue. Le découpage se fait au laser ou en utilisant une machine CN (commande numérique) [43].

Un grand nombre de matériaux est disponible avec ce procédé. Les plus utilisés sont des rouleaux ou des plaques de papier, il peut aussi y avoir des polymères et de l'aluminium. L'assemblage final se fait grâce à un rouleau chauffant ou par soudage aux ultrasons dans le cas métal [39].

Figure 1-15 : Schéma de fonctionnement de l'assemblage de couches (Stratification De

Ces procédés sont robustes et performants surtout pour obtenir des modèles. Il faut cependant concevoir en ayant en tête le retrait des parties intérieures.

1.3.5 Projection De Liant

Le procédé de projection de liant est similaire au procédé de projection de matière mis à part que le liquide projeté permet de lier sélectivement un lit de poudre. La solidification est activée thermiquement ou par réaction chimique. Un certain nombre de post-procédés sont nécessaires après la fabrication pour enlever la poudre non liée et pour finaliser la liaison.

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Figure 1-17: Schéma de fonctionnement de la projection de liant sur un substrat de poudre

La technologie d'impression 3D (non habituellement utilisée abusivement pour désigner la fabrication additive) utilise ce procédé. D'autres technologies ont été développées et permettent de fabriquer des pièces dans une grande variété de matériaux comme le plastique, le métal, mais aussi le plâtre ou la céramique.

Dans le cas du métal, le liant est activé thermiquement. Un post-procédé est nécessaire pour finaliser la liaison dans un four, puis un autre pour enlever la poudre non liée. Dans certaines technologies, du métal supplémentaire est infiltré dans la pièce pour la densifier. Les principaux métaux fabriqués sont des aciers inoxydables et des Inconels, mais il est également possible de fabriquer des pièces en bronze, chrome-cobalt ou tungstène [43].

Ce procédé est plus rapide (*5) mais on obtient moins de détails et des finitions moins bonnes. Par contre, il est possible d'imprimer directement en couleur. Il est possible d'utiliser des matériaux écologiques et inoffensifs. Cependant, les caractéristiques mécaniques sont limitées et on peut obtenir un aspect granuleux.

Figure 1-18 : Exemple de réalisation de pièce par projection de liant [50].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.3.6 Fusion Sur Lit De Poudre

Le procédé de fusion sur lit de poudre consiste à fritter ou fusionner sélectivement un lit de poudre. La fusion est activée thermiquement par l'intermédiaire d'un laser ou d'un faisceau d'électrons. Des post-procédés sont nécessaires pour enlever la poudre qui n'est pas fusionnée.

Ils existent d'autres technologies mais elles reposent toutes sur le même principe. Les différences majeures proviennent de la source d'énergie. Les technologies utilisant un laser sont les technologies SLM, SLS, DMLS... La technologie utilisant un faisceau d'électrons est l'EBM [43] [49].

Les pièces mises en forme sont en plastique, métal ou céramique. Un très grand nombre de matériaux sont disponibles avec plus ou moins de maturité. Les principaux métaux utilisés sont des alliages de Titane (en particulier le Ti-6Al-4V), les Inconels (625 et 718), les Aciers (aciers inoxydables, aciers marasing) et les Aluminiums (aluminium de fonderie uniquement). D'autres poudres métalliques existent mais sont moins rependus (bronze, or, tantale) [43].

Les caractéristiques mécaniques sont bonnes, puisque proche du matériau de base. Dans le cas d'une technologie à haute température, on obtient des caractéristiques similaires à des pièces obtenues en fonderie. Par contre, le retrait de la pièce sur le support est une opération à prévoir et très délicate à réaliser.

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Figure 1-20 : Exemples de réalisation de pièces par fusion sur lit de poudre [51].

1.3.7 Dépôt De Matière Sous Énergie Concentrée

Le dépôt de matière sous énergie concentrée consiste à projeter de la poudre métallique qui est fusionnée sur la pièce grâce à une source d'énergie thermique (laser, faisceau d'électrons ou plasma) de la même façon que pour le lit de poudre [43]. La machine est souvent composée de 4 ou 5 axes qui permettent de faire des couches qui ne sont pas nécessairement planes. Il est aussi possible de réparer des pièces en ajoutant de la matière ou de rajouter un élément à une pièce existante [52]. Ce procédé permet également de fabriquer des pièces multi-matériaux en projetant des poudres différentes [53].

Figure I-21 : Schéma du principe de dépôt de matière sous énergie concentrée [42].

Là encore, il existe plusieurs technologies utilisant des sources ou des méthodes de projection de poudre différente. Une autre technologie légèrement différente existe également et est hybride entre l'extrusion de matière et le dépôt de matière sous énergie concentrée. Cette technologie consiste à déposer un fil métallique, qui est fondu, pour créer les différentes couches [43] [54].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Seuls des matériaux métalliques peuvent être fabriqués par ce procédé. Les matériaux utilisés sont presque semblables à ceux utilisés en fusion sur lit de poudre, sauf l'Aluminium qui pose certains soucis supplémentaires pour le dépôt de poudre (évaporation, dangerosité des poudres...). En dépôt de fil métallique, la fabrication de certains alliages d'aluminium est possible [39].

Ce procédé permet de fabriquer des pièces de grandes dimensions, limité par l'enceinte de la machine. Les vitesses de fabrication sont élevées : 10 à 200 cm³/h selon la qualité désirée. Les caractéristiques matériaux sont bons, proches du matériau de base. Il y a un large choix de matériau. De plus, on peut ajouter de nouvelles parties à une pièce. Il existe des machines de fraisage/tournage avec une buse à poudre.

Figure 1-22 : exemple de réalisation par le procédé de dépôt de matière sous énergie

1.3.8 Comparaison Entre Les Différentes Technologies

Pour contrôler les pièces, il existe des moyens classiques comme la machine à mesurer tridimensionnelle et le scanner 3D, mais également la tomographie qui permet [55] de reconstruire couche par couche la pièce pour constater les défauts et connaitre la porosité. L'étude comparative menée entre les différentes technologies sera basée sur des critères tels que la qualité de finition, le nombre de matériau, l'outillage et la taille des pièces. Elle sera consignée sous forme de tableau :

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Type de procédé	Qualité de finition	Nombre de matériau	Outillages	Taille des pièces
Photo polymérisation en cuve	Bonne	Limité	Moyen	Petites et moyennes
Projection de matière	Correcte	Limité	Moyen	Petites et moyennes
Extrusion de matière	Moyenne	Limité	Moyen	Petites et moyennes
Stratification de couches	Bonne	Important	Bon	Moyennes et grandes
Projection de liant	Moyenne	Limité	Moyen	Petites et moyennes
Fusion sur lit de poudre	Bonne	Correcte	Correcte	Petites et moyennes
Dépôt de matière sous énergie concentrée	Correcte	Limité	Moyen	Petites et moyennes

1.4 Fusion Sur Lit De Poudre : Procédé SLM (Selective Laser Melting)

1.4.1 Principe Et Description

La fusion sélective par laser ou procédé SLM est l'une des techniques de fabrication additive (FA) qui a vu le jour à la fin des années 1980 et dans les années 1990 et qui ne cesse de se développer grâce à des recherches intenses et universitaires vigoureuses [56]. Ce procédé commence par le découpage des données du fichier CAO 3D, au format Stl, en couche et la création d'une image 2D de chaque couche. Ce fichier de données tranché est ensuite envoyé à un logiciel de préparation. Ce logiciel attribue des paramètres, des valeurs et des supports physiques et permet au fichier d'être construit par différents types de machines de fabrication additive [57].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Figure 1-23 : Schéma du procédé de Fusion Sélective Par Laser (SLM), d'après Popular

Dans le procédé SLM, la pièce est générée dans le cylindre de construction, au-dessus d'une plaque de base ou d'un substrat. À côté du cylindre de construction, il y a un récipient d'alimentation (également appelé déposeur de poudre). À l'aide de ce dernier, une fine couche de poudre (appelée épaisseur de couche) est déposée uniformément au-dessus de la plaque de substrat métallique, en abaissant le cylindre de construction et en relevant le récipient d'alimentation. Après dépôt d'une couche, une section transversale du composant à construire est balayé avec le laser tel que le laser à fibre Nd :YAG et Ytterbium, qui produit des centaines de watts de puissance. Ces sections transversales sont calculées à partir d'un logiciel de préparation du modelé CAO dont il a été question plus haut. En balayant la surface de la couche de poudre, la chaleur s'ajoute au matériau en absorbant la puissance. Elle fait fondre la couche de poudre, et le bain de fusion se solidifie rapidement. Le matériau consolidé commence à construire le produit. Après balayage d'une couche, la plate-forme de construction est abaissée d'une quantité correspondante à l'épaisseur de la couche et une nouvelle couche est déposée sur la couche précédente à l'aide du déposeur de couche. Le processus se répète couche après couche jusqu'à ce que la pièce soit complète, comme le montre la Figure 1-23. L'ensemble du processus d'impression se déroule à l'intérieure d'une chambre qui contient une atmosphère de gaz inerte, l'azote ou l'argon, étroitement contrôlée. Dans certains cas, le lit de la chambre est préchauffé.

La température à l'intérieur de la chambre est uniformément répartie. Les structures de supports sont également construites dans le cas du produit, ce qui implique beaucoup de

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

complexité. Les structures de support couramment utilisées sont illustrées à la Figure. Une fois le processus SLM terminé, le substrat est retiré de la chambre de fabrication, puis les supports et les pièces sont retirés. Les supports doivent être conçus avec soin car ils peuvent être difficiles à retirer, étant donné qu'ils sont constitués du même matériau métallique dense que la pièce [48], [49].

Les différents matériaux pouvant être traités sont l'acier allié, l'acier à outils, le bronze, l'acier inoxydable, le titane-aluminium, le cobalt-chrome. Tous doivent exister sous forme de poudre fine et présenter certaines caractéristiques d'écoulement pour pouvoir être traités. Un certain nombre de paramètres de processus affectant le processus SLM.

1.4.2 Paramètres Du Procédé SLM

Dans la technologie de fabrication additive, de nombreux paramètres influence l'exactitude du procédé SLM (Figure I-25). En analysant correctement ces paramètres, on peut comprendre les mécanismes qui se produisent de manière appropriée pour concevoir le procédé. Le procédé SLM est très complexe car un grand nombre de paramètres peuvent influencer la qualité de la pièce finale. Dans le cas présent, les principaux paramètres du procédé SLM sont la puissance du laser, le diamètre du faisceau laser/la taille du point, la vitesse de balayage, le schéma de balayage, l'espacement des hachures, les propriétés de la poudre, l'épaisseur de la couche et la température à l'intérieur de la chambre [32] [55], [58], [59].

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

1.4.3 Simulation Et Modélisation Du Procédé SLM 1.4.3.1. Généralités

Les technologies de FA suscitent un intérêt considérable dans tous les secteurs industriels, car elles permettent de concevoir et de fabriquer rapidement des prototypes et des produits. Toutefois l'utilisation de ces technologies pose des problèmes, tels que la défaillance des composants due à des problèmes de dépôt de couches. Il existe de nombreux points au cours du processus de fabrication où le composant fabriqué peut tomber en panne pour cette raison. Des défaillances post-production de pièces apparemment complètes peuvent également se produire. L'identification de la forme devant être fabriquée (forme compensée), pour obtenir la forme souhaitée, peut être réalisée expérimentalement. En l'absence d'expérience, cette étape peut s'avérer très couteuse en temps et en matière première. De plus, elle est envisageable uniquement pour les faces externes de la pièce [61].

Un grand nombre de paramètres (parfois plusieurs dizaines), peuvent influencer la qualité des pièces et contribuer à l'apparition de défauts, de fissures et de distorsions. Dans ce

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

contexte, la simulation numérique s'impose comme un outil indispensable pour la mise au point des processus de fabrication additive, en permettant aux spécialistes d'anticiper les déformations des pièces pendant leur fabrication.

1.4.3.2. Rôles De La Simulation

La simulation permet de répondre à différentes problématiques industrielles, et permet de [62] :

- Réduire les pertes de fabrication grâce à la caractérisation des contraintes résiduelles dans la pièce et de l'optimisation des zones finales à usiner pour les réduire ;

- Optimiser les séquences de dépôts et les conditions de bridage tout au long du processus de fabrication grâce à l'anticipation des distorsions et contraintes ;

- Réduire le temps de fabrication en quantifiant l'influence du préchauffage/refroidissement éventuel des supports, et en déterminant les temps optimaux entre deux phases ;

- Améliorer et optimiser les processus post-fabrication en qualifiant l'influence sur les contraintes et déformations de traitements thermiques de dimensionnement.

Les avantages apportés par la modélisation permettent aux industries une réelle maitrise de toute la chaine de production sans avoir à effectuer de longs et couteux plans d'expérience expérimentaux.

L'utilisation d'un model prédictif sera un outil décisif pour guider les ingénieurs dans l'identification des paramètres des processus de fabrication, et des géométries « compensées » permettant d'obtenir les pièces souhaitées dans les meilleurs délais et à un coût maitrisé.

1.4.3.3. La Modélisation Multi-Échelle (Micro, Méso, Macro)

L'objectif de la modélisation numérique multi-échelle est de comprendre l'impact de l'interaction entre les différents phénomènes physiques mis en jeu durant la fusion et la solidification sur le comportement mécanique finale de la pièce fabriquée. Elle permet aussi de réduire le recours à l'expérimentation ce qui amorti considérablement le temps et le coût de l'investigation [63].

Dans la modélisation à l'échelle micro, on s'intéresse à l'interaction laser-matière et en particulier à la réflectivité et l'absorption du rayon laser pour estimer la quantité d'énergie thermique absorbée. La modélisation de la distribution spatiale des particules sur le lit de poudre joue un rôle important dans la zone affectée thermiquement (ZAT). C'est en effet dans cette

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

zone que l'on définit les propriétés thermo-physiques du processus de transfert thermique durant la fabrication. La modélisation du bain de fusion permet de caractériser sa dynamique, l'effet des phénomènes physiques durant la fusion (tension de surface, effet Marangoni, pression de recul) sur sa forme géométrique et sur les mécanismes de formation des défauts (porosités, keyholes, ...). Dans cette catégorie, on retrouve :

- La modélisation de la mise en couche : au cours de la fabrication SLM, chaque nouvelle couche nécessite une nouvelle distribution de particules de poudre sur le socle de fabrication (spreding). Les propriétés physiques du bain de fusion, le mécanisme de formation des porosités et la qualité finale de la pièce dépendent étroitement de l'uniformité du lit de poudre et de sa densité relative. En effet la présence des porosités durant la mise en couche peut influencer le bain de fusion et augmenter la probabilité de piéger des gaz dans le matériau solidifié, d'où la formation des défauts notamment des porosités et des keyholes. Parmi les approches phares utilisées dans la modélisation de la mise en couche, on peut signaler l'approche DEM (Discrete Element Method). Cette méthode est basée sur l'assemblage d'éléments distincts, déformables ou non, et reliés entre eux par des lois très simples qui permettent de représenter le comportement du matériau. Elle est très rependue pour les matériaux granulaires, car elle représente naturellement la cinématique de ces matériaux et leur comportement discontinu.

- Modélisation de l'apport thermique : Durant le lasage, le lit de poudre est bombardé de rayon laser puissant et de très courte durée. L'énergie photonique est alors transformée en énergie thermique par absorption. La poudre permet une pénétration en profondeur du rayon laser grâce à multiples réflexions à la surface des particules. L'énergie thermique absorbée dépend de la densité relative et des propriétés réflectives du lit de poudre. Les paramètres fonctionnels qui influencent l'intensité du faisceau laser sont la puissance, la vitesse de déplacement, l'espacement entre passes (hatch distance) et la longueur du scan.

- Modélisation du bain de fusion : Elle a pour but de comprendre l'interaction entre les différentes physiques du procédé lors de la phase de fusion et de solidification. En effet, la géométrie du bain de fusion impacte considérablement la microstructure qui dépend étroitement de la vitesse et de la puissance du laser. Durant la fusion, les très forts gradients de température provoquent un mouvement de convection qui dirige le métal fondu vers les parois du bain de fusion. C'est ainsi que se forment les keyholes ou capillaires. À la fin des bulles de gaz peuvent être piégées et peuvent ne plus s'échapper du fait d'un temps de solidification très court qui provoque la formation de porosités.

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Cette modélisation s'intéresse à l'échelle de la couche ; elle porte sur la formation du cordon du bain de fusion et l'apparition des défauts et des irrégularités. À ce stade, la simulation va aider à comprendre l'évolution de la microstructure issue du procédé SLM. Elle permet aussi d'estimer l'histoire thermique et les contraintes résiduelles locales au voisinage de la zone fondue, point de départ pour modéliser les contraintes résiduelles à l'échelle macro.

Plusieurs approches numériques se sont développées pour la modélisation du bain et du cordon de fusion, telle que l'approche ALE (Arbitrary Lagrangien Euleran), une approche hybride très flexible qui peut être utilisée pour la modélisation de la zone fondue à l'échelle micro et pour la modélisation du cordon à l'échelle méso. L'approche level-set est utilisée, quant à elle s'une part pour suivre l'évolution à l'échelle microscopique de la surface du bain de fusion et d'autre part à l'échelle mésoscopique pour modéliser l'évolution du cordon en prenant en compte certaines hypothèses sur le milieu. Ces deux méthodes sont basées sur la méthode des éléments finis.

Elle prend en compte les contraintes résiduelles et la déformation finale à l'échelle de la pièce. L'approche macro n'envisage pas de prédire la forme du bain de fusion et les défauts qui en résultent dans certaines approches, mais essentiellement les transferts thermiques macroscopique et leurs conséquences sur la ténue de la pièce et sa durée de vie. On s'intéresse ici à la modélisation de l'apport en énergie, thermomécanique et la modélisation géométrique de la pièce finale. La plupart des modèles macro sont basés sur la méthode des éléments finis.

1.4.3.4 Modélisation Numérique Du Procédé SLM

Les paramètres accessibles qui intéressent la plupart des études antérieures sont la puissance du laser, le diamètre du faisceau, la vitesse de balayage, l'épaisseur de la couche de poudre te la granulométrie.

Gusarov et al. [64], [65], [66] ont modélisés la pénétration de la chaleur et des rayonnements dans un lit de poudre en prenant en compte des réflexions multiples. Ils ont calculé numériquement la distribution de la température dans la région d'interaction laser-poudre et ont étudié l'influence de l'épaisseur de la couche de poudre et de la puissance du laser sur la forme du bain de fusion. Ils ont également étudié les effets de la vitesse de balayage.

Verhaeghe et al. [67] ont présenté un modèle permettant de déterminer l'effet de l'évaporation de la matière. Ils ont constaté l'évaporation devient un phénomène très significatif

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

à des densités d'énergie importantes. Ils ont aussi étudié les gradients thermiques et la dynamique des fluides dans le bain de fusion.

Dai et Gu [68] ont développé une simulation numérique qui concerne l'influence de la densité d'énergie du faisceau sur la dynamique du bain de fusion et les mécanismes de densification.

Khairallah et Anderson [69] ont développé un modèle mésoscopique 3D de simulation. Ils ont étudié la fusion par faisceau laser des particules d'un lit de poudre aléatoire en acier inoxydable 316L disposé sur un substrat solide et la solidification de la masse fondue en cordon, qui peut être soit continu ou discontinu en raison de l'instabilité de Rayleigh-Plateau.

Antony et al. [70] ont effectué une étude numérique pour comprendre l'effet de certains paramètres du procédé SLM lors de la fusion d'une poudre d'acier inoxydable 316L déposée sur un substrat constitué du même matériau dans le cas d'un laser pulsé Nd :YAG. Ils ont considéré l'effet de certains paramètres procédés tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage et la taille du faisceau sur les caractéristiques dimensionnelles de la zone de fusion à partir de la distribution des champs de température. Les résultats confirment l'effet important de la vitesse et de la puissance du laser sur les caractéristiques du bain fondu.

Zhang et al. [71] ont étudié des pièces en Ti pur fabriquées avec le procédé SLM sous vide et ils ont montré que la surface devient plus lisse avec une rugosité Ra de 5 um en évitant le phénomène de balling. La masse volumique des échantillons obtenus à des vitesses de balayages faibles était la même que la valeur théorique de la densité du Ti. Ils ont aussi analysé l'influence de la nature du gaz de protection sur la fabrication des pièces en acier inoxydable 316L. Ils ont également étudié l'effet de différents types de mélanges de gaz protecteurs sur la densité d'échantillons en 316L. On observe que les échantillons fabriqués sous Ar, N2 et leurs mélanges avec H2 présentent des densités supérieures à 99%. Toutefois une diminution de la pression dans la chambre de fabrication a également entrainé une réduction de la section des cordons résultant probablement d'une augmentation du niveau de vaporisation.

1.5 Conclusion

Cette étude bibliographique a permis de présenter des généralités sur la fabrication additive notamment son principe, ses avantages et ses limites, ses différents domaines d'applications en passant par la présentation des différents procédés de fabrication qu'elle regroupe en son sein et plus spécifiquement le procédé de fusion sélective par laser (Selective Layer Melting : SLM).

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

Le procédé SLM permet de produire des pièces de forme géométrique complexe grâce à un laser faisant fondre le métal dans les zones souhaitées. Toutefois, une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenant lors du procédé et des effets de certains paramètres procédés est encore nécessaire pour améliorer son application industrielle.

De nombreuses études expérimentales portant sur les paramètres opératoires du procédé SLM dans le cadre de l'influences de ces derniers sur l'état de surface des pièces obtenue par fabrication additive ont déjà été menées. Toutefois les travaux expérimentaux sont très couteux, leur mise en place est longue et les résultats obtenus ne sont pas toujours suffisant pour comprendre les phénomènes physiques intervenant lors du procédé. C'est pourquoi de nombreux travaux ont cherché à développer des modèles numériques simulant ces phénomènes dans le but d'appréhender les différentes influences des paramètres opératoires lié du procédé.

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET

2.1 Introduction

Dans ce chapitre on présente les travaux expérimentaux effectués qui visent à étudier principalement l'influence des caractéristiques du processus telles que la puissance du laser, la vitesse de balayage, le diamètre du laser, la distribution de la température et la compacité du lit de poudre sur le bain de fusion. Une description du modèle utilisé dans le cadre des simulations multi-échelles sera également faite.

Les échantillons ont été réalisés dans une machine de fusion à lit de poudre Concept Laser M2 Dual Laser sous atmosphère d'argon. Le Concept Laser M2 est équipé d'un laser à fibre à onde continue Yb: YAG (1070 nm) avec une puissance nominale maximale de 400 W et caméra infrarouge SWIR haute vitesse (Fig. 2.1).

Figure 2-1: Vue schématique du processus de fusion laser sur lit de poudre équipé d'un
système de caméra infrarouge haute vitesse [72]

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

L'intensité du faisceau laser à fibre présente une distribution gaussienne typique. Les stratégies de balayage laser impliquent une seule direction et un balayage ponctuel. Les paramètres de traitement expérimental sont énumérés ci-dessous dans le Tableau 2.1.

Puissance (W)	200		250		300		350
Vitesse de balayage	Vs (mm.s-1)	Cordon	Vs (mm.s-1)	Cordon	Vs (mm.s-1)	Cordon	Vs (mm.s-1)	Cordon
	200	S1/T1	250	S7/T7	300	S13/T13	350	S19/T19
	400	S2/T2	500	S8/T8	600	S14/T14	700	S20/T20
	500	S3/T3	625	S9/T9	750	S15/T15	875	S21/T21
	667	S4/T4	833	S10/T10	1000	S16/T16	1167	S22/T22
	1000	S5/T5	1250	S11/T11	1500	S17/T17	1750	S23/T23
	2000	S6/T6	2500	S12/T12	3000	S18/T18	3500	S24/T24

Tableau 2-1: Conception de l'expérience (DOE) pour les pistes à balayage unique

Des balayages simples ont été effectués pour former des cordons uniques sur un substrat de plaque de base nu (sans poudre) et une plaque de base avec une couche mince de 30 pm de poudre de Ti-6Al-4V. Selon la conception factorielle de l'expérience (DOE) où la taille du faisceau laser est Ö1 = 110 um, un total de vingt-quatre pistes a été réalisé sur un substrat nu (S1-20) et sur une couche de poudre (T1-20). Les particules de poudre présentent une distribution de taille comprise entre 2 um (Ö10) et 36 um (90) avec un diamètre volumique moyen d'environ 13 um (Ö30). Pour corréler les changements possibles des régimes de fusion avec un paramètre énergétique fiable, une densité d'énergie volumique (DEV) est calculée pour chaque condition expérimentale comme suit :

Avec la vitesse de balayage (vs), la puissance incidente (P) et le diamètre du faisceau (Öl). Certaines conditions de procédé présentées dans le tableau 1 ont été choisies de manière à obtenir des plages de DEV similaires. Afin d'étudier la morphologie du bain de fusion, chaque piste a été sectionnée à trois endroits (début, milieu et fin) pour une profondeur et une largeur moyenne. Les coupes transversales ont ensuite été montées dans une résine thermodurcissable, broyées jusqu'à 1200 à l'aide de papiers abrasifs métallographiques, polies et finalement gravées à l'aide d'une solution de Kroll entre 10 et 15 secondes pour l'imagerie par microscopie optique et l'analyse d'image des Fidji (Image J).

Comme le montre la Figure 2.2, trois dimensions principales peuvent être mesurées à partir de la section transversale des voies : (i) la hauteur de la zone apparente Happ, (ii) la profondeur de la zone refondue HRZ et (iii) la largeur de la perle eapp. La zone apparente (AZ) définit la zone au-dessus de la surface de la plaque de construction ou de la couche précédente dans le cas d'une fabrication couche par couche tandis que la zone refondue (RZ) est la zone où

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le métal a été refondu. Ces paramètres de bain de fusion ont été mesurés à l'aide du logiciel Image J.

Figure 2-2 : Caractéristiques morphologiques intrinsèques d'une trace de fusion
mesurables [72f.

Afin d'obtenir des informations sur le bain de fusion, sa dynamique et sa stabilité, des mesures in situ des champs de température du bain de fusion spatiale et temporelle ont été réalisées. Comme le montre la Figure 2.1, le système développé par B. Fosse [72] de Mines Paris Tech est équipé d'une caméra infrarouge SWIR haute vitesse alignée coaxialement pour surveiller en temps réel le bain de fusion en visualisant l'évolution de la température de surface et les phénomènes d'interaction se produisant lors de la fusion du matériau. La caméra atteint une fréquence d'images maximale de 5000 images/s avec une taille de fenêtre de 160 pixels horizontaux par 112 pixels verticaux. La taille des pixels est de 10,2 um et la fenêtre équivaut à 1,632x1,142 mm. Une fois ces cadres obtenus, ils sont analysés en seuillant (limitant) leur surface avec une isotherme correspondant à la température de fusion (1928K) du matériau Ti-6Al-4V étudié. Lorsque le seuil du bain de fusion est effectué, les informations suivantes sont extraites : température, température de pointe, inertie du bain de fusion pour obtenir le profil de température le long de l'axe d'inertie, aire du bain de fusion à l'isotherme de température de fusion, gradients de température et largeur et longueur du bain de fusion.

Ces mesures qui fournissent des signatures de processus utiles pour la qualité et le contrôle de processus nécessitent un étalonnage de la température. La mesure étalonnée de la température en un seul endroit du bain de fusion a été réalisée grâce à l'application d'une routine et d'un système d'étalonnage mis au point par B. Fosse [72]. Ce dernier permet aux informations acquises et extraites du bain de fusion d'être en température réelle.

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

2. 3. 1 Modèle Phénoménologique

Dans le cadre de cette étude, le module Melting de la fabrication additive ESI a été utilisé et développé afin de simuler avec précision le processus SLM. Le module de fusion est un modèle mésoscopique multi-physique utilisé pour étudier l'influence des caractéristiques du processus telles que la puissance du laser, la vitesse de balayage, le diamètre du laser, la distribution de la température et la compacité du lit de poudre sur le bain de fusion et pour améliorer la compréhension du processus LBM. Le modèle comprend l'écoulement de fluide, le transfert de chaleur, la transition de phase pendant la fusion, la solidification et l'évaporation du métal avec la chaleur latente associée, le transport de masse et les forces de tension superficielle dépendant de la température conduisant aux forces de Marangoni.

Comme mentionné, l'approche numérique est basée sur des méthodes de dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour résoudre toutes les équations physiques fondamentales (équations de Navier-Stockes) [73], [74], [75], [76] qui régissent les phénomènes mentionnés ci-dessus. Ces équations physiques clés sont présentées ci-dessous :

Cette équation est considérée afin d'assurer la continuité du matériau. Elle est donnée

Où ñ est la densité du mélange de fluides, t est le temps et v est le vecteur de vitesse moyenne en masse.

La conservation de la quantité de mouvement est modélisée par l'équation ci-dessous qui est étendue à l'aide de termes source pour tenir compte des forces corporelles gravitationnelles, de la pression de recul et de la tension superficielle.

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Où p est la pression hydrodynamique, ô est le tenseur de contrainte de cisaillement déviatorique calculé en utilisant la viscosité dynamique effective du mélange, fL est la fraction liquide, ó la tension superficielle, k la courbure superficielle, ??? la normale superficielle, T la température, ???? est la pression de recul et ??? le vecteur de gravité. Le troisième terme appelé terme de Darcy sur le côté droit décrit le terme d'amortissement dans la zone pâteuse où C et CK sont respectivement le coefficient de perméabilité et une petite constante. Le quatrième terme représente les forces de tension superficielle à la surface du matériau fondu et les effets Marangoni résultant des valeurs de tension superficielle dépendant de la température. Lorsque la variation de la tension superficielle avec la concentration des espèces est négligée, la tension superficielle est approximée pour varier linéairement avec la température selon :

Où ólt est la tension superficielle à la température de liquidus Tls et la dérivée de température ?ó/?T est considérée comme constante

L'équation énergétique qui tient compte de la conduction (terme de diffusion) et de la convection est complétée par des termes sources représentant la chaleur latente requise ou libérée pendant la fusion / solidification et l'évaporation / condensation ainsi que le rayonnement.

+ ?? · ????? ?? = ?? · (?????? + ? ?????? ?? ) + ???? + ??: ????? - ???? - ??(????? ????????) - + ???? · ??? (??)

Où h est l'enthalpie totale et ë est la conductivité thermique du mélange, hi est l'enthalpie spécifique de l'espèce i, ?? ?? est le flux massique d'espèce, Lf et Lv sont la chaleur latente de fusion et d'évaporation, respectivement. FL et fV sont respectivement la fraction liquide et vapeur. D'autres termes sources représentant le rayonnement sont nécessaires pour l'équation d'énergie.

Les équations ci-dessus sont complétées par une équation scalaire pour suivre la surface libre du métal fondu. Le scalaire est généralement choisi comme une fraction volumique fluide de l'un des états du matériau, tel que celui de l'état liquide (volume de fluide - VOF) :

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

Où áL est la fraction volumique du liquide et mL, mV sont les sources de masse liquide et vapeur dues respectivement au changement de phase.

La modélisation de la source de chaleur est un point fondamental dans la simulation de processus SLM. Dans cette étude, la source de chaleur avec une distribution gaussienne est appliquée :

Où q (r, z) représente le flux à la distance radiale r de l'axe laser et la profondeur z du haut du lit de poudre, P est la puissance laser telle que l'intégrale de surface de eq. (6) sur r doit être égal à la puissance totale du faisceau, R est le rayon laser effectif qui définit le profil d'intensité gaussienne du laser à la profondeur z. Dans ce cas, R est supposé constant. Le paramètre â est un facteur géométrique qui complète la définition du profil gaussien.

L'évaporation du métal de la surface du liquide enlève une chaleur significative du bain de fusion et produit la pression de recul qui peut être calculée à partir de la théorie cinétique. On trouve une relation entre la pression de recul et la pression de vapeur saturée, PV, comme suit :

Sur la base de l'équation de Clausuis-Clapeyron, Leitz et al. [77] ont calculé la pression de vapeur à partir de la température connue ci-dessous :

Où PV est la pression d'évaporation, Pb est la pression d'ébullition, Lv est la chaleur latente d'évaporation, M (kg / mol) est la masse molaire, R (J / mol K) est la constante de gaz idéale et T (K) est la température. Sous certaines hypothèses, Moscicki et al. [78] ont calculé

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

le taux de perte de masse (m ?) (kg / (m²s)) sur la base de l'équation de Hertz Knudsen et de Clausius-Clapeyron comme suit :

Toutes les équations mentionnées ci-dessus ont été discrétisées puis résolues à l'aide d'une méthode des volumes finis (FVM) dans le module de fusion de la solution de fabrication additive ESI qui est basée sur le logiciel CFD-ACE + de Computational Fluid Dynamics (CFD) d'ESI Group.

2. 3. 2 Modèle Numérique

Un modèle de volume fini tridimensionnel a été construit pour simuler la réponse de la fusion laser de l'alliage de titane Ti-6Al-4V à l'aide du module de fusion de la solution de fabrication additive ESI du fournisseur de logiciel commercial ESI Group. Pour la validation du modèle, un domaine de substrat Ti-6Al-4V a d'abord été modélisé comme un bloc tridimensionnel de 750 x 500 x 660 um3 (Figure 2.3). Les propriétés thermophysiques utilisées dans la simulation sont rapportées dans le Tableau II.1. Un total de 1.140.000 cellules hexaédriques pour le modèle de calcul est généré et les équations sont résolues en utilisant un pas de temps de 2 x 10^-7s (Figure 2.3). Une taille de cellule de 3 um × 3 um × 3 um est utilisée pour simuler avec précision le processus. Les propriétés thermophysiques du Ti-6Al-4V et de l'argon sont attribuées respectivement aux régions du substrat et du gaz. Une source de chaleur laser est appliquée à partir du haut du substrat pour parcourir 0,4 mm à une vitesse v dans la direction y. Le temps de calcul pour une simulation d'un cordon nécessite environ 24 heures de temps de l'unité centrale (CPU) à 32 coeurs.

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

Après la simulation de la fusion laser sélective sur un substrat, un solveur DEM (DEM = Discrete Element Method) a été utilisé pour simuler le processus d'étalement d'une poudre Ti-6Al-4V de distribution de taille de grain allant de 2 à 36 um pour étudier l'effet de poudre sur le comportement du bain de fusion. Cette distribution de taille expérimentale a été utilisée comme paramètre d'entrée pour générer le nuage de poudre. Un total d'environ 260 550 particules de poudre a été initialisé. Comme les solveurs DEM nécessitent d'initialiser toutes les particules sans contact, il est obligatoire de spécifier une case dans la région dite source juste en face du bras de recouvrement comme indiqué sur la Figure 2.4. Sous l'effet de la gravité, les particules de poudre sont installées devant le racleur (Figure 2.4). Une fois les particules déposées, le racleur est mis en mouvement pour répartir les particules sur la table de traitement. La hauteur de la boite et du racleur est automatiquement calculée par l'angle de repos supposé de ? = 30 °. Une vue schématique des entités géométriques utilisées dans la simulation d'étalement est représentée sur la Figure 2.4 indiquant également leurs dimensions. Les structures géométriques (boîte, racleur, table de déplacement) sont spécifiées par trois fichiers STL. Le racleur a une vitesse de déplacement constante de translation de 0,1 m/s comme dans l'expérience.

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

À partir du solveur DEM, le lit de poudre simulé sur la table de déplacement est utilisé comme entrée pour la simulation de fusion. Par conséquent, toutes les particules d'une région dédiée à l'intérieur du lit de poudre sont utilisées pour initialiser le lit de poudre pour la simulation de fusion. Cela se fait en utilisant les coordonnées des particules et leurs diamètres spécifiques.

Dans la simulation de fusion, considérant que le substrat est plus petit que dans le processus réel, un coefficient de transfert thermique limite de ht = 5000 W.m-2 K^-1 et une émissivité de å = 0,6 ont été considérés comme prenant en tenant compte des pertes de chaleur par convection et rayonnement à la limite inférieure du domaine de la solution. Toutes les autres limites de mur sont supposées être adiabatiques. La conception des expériences (DOE) mentionnée ci-dessus a été réalisée pour la simulation de la réponse du bain de fusion. Les simulations ont été réalisées avec les paramètres d'entrée mentionnés dans le Tableau II. 2.

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

Propriétés du Ti-6Al-4V
Symboles	Propriétés	Valeurs	Références
Tb (K)	Température du point d'ébullition	3315	[79]

???? (Kg.m^-3)	Densité du liquide au point d'ébullition	3780	[80],[81],[82]

TL (K)	Température de Liquidus	1928	[83]

TS (K)	Température de Solidus	1878	[83]
			??_??(W.m^-1.K^-1)
Conductivité thermique du solide	21	[84]
			????(J. Kg^-1. K^-1)
Chaleur spécifique du liquide au point d'ébullition	730	[85]	???? (W.m^-1. K^-1)
Conductivité thermique du liquide au point d'ébullition	29	[86]

???? (W.m^-1. K^-1)	Conductivité thermique du liquide	29	[87], [88]

???? (J. Kg^-1. K^-1)	Chaleur spécifique du solide	670	[89]

???? (J. Kg^-1. K^-1)	Chaleur spécifique du liquide	730	[89]
			???? (Kg.m^-3)
Densité du solide	4420	[90]

???? (Kg.m^-3)	Densité du liquide	3920	[90]

??	Coefficient d'absorption laser	0.5	[90]

???? (J.K^-1)	Chaleur latente de fusion	3×10⁵	[90]

???? (J.K^-1)	Chaleur latente d'évaporation	9.8×10⁶	[90]

???? (N.m^-1. s^-1)	Tension superficielle	1.47	[90]

???? (N.m^-1. s^-1)	Tension superficielle au point d'ébullition	0.01	/
???? (Pa. s)	Viscosité dynamique	6x10^-3	[89]

Propriétés thermo-physiques de l'argon
???? (Kg.m^-3)	Densité de gaz	1.67	/
???? (Pa. s)	Viscosité dynamique	2.1×10⁵	[83]

???? (J. Kg^-1. K^-1)	Chaleur spécifique	520	/
?? ?? (W.m^-1. K¹)	Conductivité thermique	0.0163	/

Tableau 2-2: Propriétés thermo-physiques utilisées pour les simulations

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE

Le chapitre 2 a été consacré aux différents travaux expérimentaux et numériques menés dans le cadre de cette étude.

Les travaux expérimentaux ont consisté grâce à une machine de fusion sur lit de poudre Concept Laser M2 Dual à fabriquer des cordons unitaires sous différents paramètres de puissance laser et de vitesse de balayage comme décrit par le tableau 2.1 dans le but d'étudier l'influence des paramètres considéré sur la topologie des pièces obtenues en SLM. Ces paramètres ont été choisi de manière à obtenir des plages similaires en terme de densité d'énergie volumique du laser (Équation 1). Au cours de ces travaux, deux cas ont été envisagé : celui du substrat sans lit de poudre et celui du substrat avec lit de poudre fait à partir de l'alliage de Ti6Al4V. Ainsi pour chacun de ces cas, un total de 24 cordons unitaires a été réalisé.

Les travaux numériques ont porté sur la simulation du procédé SLM avec pour objectif de prédire la morphologie et la microstructure finale d'ne pièces d'une part et d'autres part d'étudier l'influence des caractéristiques du processus telles que la puissance laser, la vitesse de balayage et la densité d'énergie volumique afin d'améliorer la compréhension de ce procédé de fabrication. Pour ces études de simulation, le module melting (module de fusion) de fabrication additive ESI du fournisseur de logiciel commercial ESI Group a été utilisé.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET

Le modèle numérique décrit dans le Chapitre II a été développé avec pour objectif principal d'analyser l'influence de la puissance laser, la vitesse de balayage et de la densité d'énergie volumique (DEV) sur le procédé de fusion sur lit de poudre par faisceau laser.

Dans ce Chapitre, une première partie sera consacrée à l'analyse de l'influence de ces paramètres procédés sur la morphologie des cordons, les régimes de fusion du bain et les dimensions du bain de fusion respectivement. Ensuite dans une seconde partie on traitera le sujet principal de cette étude qui consiste en l'analyse de sensibilité des paramètres susceptibles d'influencer l'état de santé des pièces obtenues par fabrication additive.

3.1 Investigations Des Résultats Expérimentaux Et Numériques

3.1.1 Effet des paramètres procédés sur la morphologie de surface du cordon

Pendant le procédé SLM, les paramètres procédés peuvent affecter la morphologie en surface et en profondeur de chaque cordon entrainant par la même occasion des modifications sur la pièce finale imprimée. La figure 3.1 montre la morphologie de surface des cordons obtenus à partir de la paramètrie mentionnée au Chapitre II (Tableau 2.1).

L'observation des cordons déposés avec les puissances laser de 200 W (Figure 3.1) montre qu'à des vitesses de balayage de 200, 400, 500, 667 et 1000 mm/s avec des valeurs de Densité d'Énergie Volumique (DEV) correspondantes de 105, 52.6, 42, 31.5 et 21 J/mm³ respectivement, on obtient une fusion complète ainsi que la formation de cordons continus. Pour une puissance laser de 250 W, la fusion est complète lorsqu'on applique des vitesses de balayage de 250, 500, 625 et 833 mm/s correspondant aux DEV de 105, 52.6, 42 et 31.5 J/ mm³. Lorsqu'on utilise une puissance laser de 300 W, on obtient la fusion complète et continue pour les mêmes DEV que 250 W avec des vitesses de balayage de 300, 600, 750 et 1000 mm/s. Dans le cas d'une puissance laser de 350 W, la fusion est complète et continue uniquement pour des vitesses de balayage de 350 et 700 mm/s avec des DEV de 105 et 52.6 J/mm³.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

Figure 3-1: Topologie de surface des cordons obtenus sur un substrat en Ti6Al4V

Il est évident que pour toutes les puissances données, la largeur des cordons diminue avec l'augmentation de la vitesse de balayage suscitant ainsi l'apparition d'une morphologie de surface non désirable. En effet, l'augmentation de la vitesse de balayage va causer une diminution de la densité d'énergie volumique fournie et donc de la température nécessaire à la fusion du matériau. Ce qui explique pourquoi à de faible densité d'énergie volumique (vitesse de balayage élevée) on a un faible volume de matière fondue qui résulte par une morphologie de surface indésirable : c'est le régime instable. Ce régime se produit lorsqu'une certaine vitesse de balayage de 1000 mm/s (DEV = 21 J/mm³) est dépassée, la forme du cordon passe d'un régime stable à un régime instable. Lorsqu'on augmente la puissance, une tendance similaire à celle du cas de 200 W est observée, à la seule différence que le régime instable (surface irrégulière et discontinue) apparait pour des valeurs de DEV plus élevées. Cette apparition de la morphologie de surface irrégulière à des valeurs de DEV plus élevées conduit à une augmentation du régime d'instabilité et donc à un rétrécissement du plan d'expérience de la conception optimal du cordon. Ce comportement peut être observé sur la Figure 3.2, qui montre quatre cordons obtenus à la même valeur de DEV = 21 J/mm³.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

Figure 3-2: Micrographie de cordons déposés avec la DEV (21 J/mm3) pour différentes
valeurs de puissance et de vitesse de balayage.

Dans toutes les expériences présentées ici, la formation d'instabilités appelées « Humping » est due à la fois à la force gravitationnelle et la force capillaire, mieux connue sous le nom d'instabilité de Rayleigh. Cette instabilité qui décrit la rupture d'un cylindre liquide par l'action de la surface et de la force de gravité a été systématiquement liée à la pression de recul et à la déformation verticale du bain de fusion. En effet, les forces capillaires rendent le liquide instable lorsque sa longueur L, dépasse sa circonférence (K.C. Mills, 2002). En conclusion, la densité d'énergie volumique nécessaire pour obtenir une morphologie de surface uniforme et continue doit être supérieure à 21 J/mm³ pour une puissance de 200 W, 31.5 J/mm³ pour les puissances de 250 et 300 W, et 52.5 J/mm³ pour une puissance laser de 350 W respectivement.

La morphologie de surface du bain dépend aussi de la puissance et de la vitesse de balayage. On constate que le régime d'instabilité est atteint lorsque des puissances de balayage sont à 1000 mm/s pour des puissances laser comprises entre 200 et 300 W quel que soit la DEV utilisée. Ainsi, la densité d'énergie volumique ne suffit pas pour la caractérisation de la morphologie de surface d'un cordon.

3.1.2 Effet de la Densité d'Énergie Volumique sur le régime de fusion

Pendant le processus SLM, les paramètres de dépôt affectent sévèrement la morphologie de chaque cordon qui est importante pour le produit final. La figure 3.3 montre la morphologie des coupes transversales des cordons individuels obtenus sur un substrat de base Ti6Al4V sans

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

poudre et avec poudre du même matériau, sous différentes puissances et vitesses de balayage listées dans le tableau II.1 avec un diamètre de faisceau focal Ö1=110 um. La différence de microstructure met en évidence deux zones où l'on peur clairement observer la zone refondue du bain de fusion. La figure III.3 montre un total de i pistes nommées Si et Ti pour le substrat et le cas avec poudre respectivement où i varie de 1 à 20.

À partir de ces deux zones, on peut clairement identifier une différence de morphologie qui correspond à des régimes de fusion. Ainsi, on distingue de la figure 3.3 quatre morphologies qui correspondent aux différents régimes de fusion :

? Le régime instable appelé « humping » est caractérisé par un allongement du bain de fusion qui tend à préférer les instabilités du tableau de Rayleigh. Ce défaut est causé par les tensions de surface qui poussent et rétrécissent la masse fondue. On l'observe chez les cordons S15, S20, T5, T10, T15, T19 et T20.

? Le régime de conduction où la coupe transversale ressemble à un demi-cercle. Dans ce cas, l'apport d'énergie est inférieur à une certaine valeur seuil, ce qui va rendre le régime de conduction prédominant pour le mécanisme de transfert de chaleur. On observe ce régime chez les cordons S5, S10, T4.

? Le régime indésirable appelé « keyhole » où la section transversale est profonde avec une région supérieure en forme de sablier, tandis que sa partie inférieure est étroite et ressemble à la forme d'un trou de serrure. Ce régime est également caractérisé par la présence de défauts tels que la porosité du trou de serrure. Il est marqué au niveau des cordons S1/T1, S6/T6, S11/T11 et S16/T16.

? Le régime de transition qui opère entre le régime de conduction et le régime keyhole. Dans ce cas, l'hydrodynamique du bain de fusion est stable, générant une pénétration de bain plus profonde que le régime de conduction et aucune porosité de trou de serrure n'est trouvée.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

Figure 3-3: Coupes transversales du bain de fusion sous différentes puissances et vitesses
de balayage pour (a) le substrat et (b) le cas du lit de poudre.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

La figure 3.3 montre que le régime keyhole apparait lorsque que la densité d'énergie volumique est supérieure à 52.5 J/mm³, tandis que le régime de conduction et humping apparaissent pour des DEV inférieures à 42 J/mm³. Ce résultat n'est pas en accord avec les tendances observées dans le cas de l'analyse de la morphologie de surface. On constate que toutes les morphologies de surface en régime humping ne sont pas identifiées par les coupes transversales. Ce qui signifie que l'observation d'une coupe transversale seule ne suffit pas pour identifier les défauts de surface d'un cordon. Donc les analyses micrographiques en surface permettent d'optimiser la continuité et l'uniformité des cordons tandis que les analyses de coupes transversales permettent plutôt d'optimiser la densité du cordon. Ainsi, il est nécessaire d'utiliser les deux formes d'approches pour optimiser le plan d'expérience d'un procédé de fabrication SLM. D'après l'analyse des différentes micrographies ci-dessus (Figure 3.2 et 3.3), on peut dire que pour obtenir des cordons de Ti6Al4V continus, uniformes et denses, il convient d'utiliser les densités d'énergie volumique comprises entre 52.6 et 42 J/mm³ pour les puissances laser inférieures à 300 W et 52.5 J/mm³ pour une puissance de 350 W. Les valeurs 52.6 et 42 J/mm³ sembles donc être des valeurs seuils permettant de passer d'un régime de fusion à un autre dans le cas du procédé SLM d'un alliage de Ti6Al4V.

3.1.3 Seuil des régimes de fusion

Pour identifier avec précision le seuil entre les régimes de fusion humping, conduction, transition et keyhole, l'influence de la densité d'énergie, DEV sur les dimensions du bain de fusion (largeur eapp et profondeur HRZ) a été évaluée pour le cas du substrat (fig.4a) et le cas du lit de poudre (fig.4b).

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

Figure 3-4: Variation des dimensions du bain en fonction de la densité d'énergie
volumique (DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b) substrat avec poudre du même

Il est observé que la largeur et la profondeur augmentent avec la densité d'énergie pour les deux cas substrat et lit de poudre, respectivement. En combinant les analyses micrographiques précédentes avec les points d'inflexions observés dans la Figure 3.4, il est possible d'identifier les différents régimes de fusion. Dans le cas du modèle de substrat (Fig.3.4a), le premier point d'inflexion est la valeur seuille localisée à la densité d'énergie, DEV de 42 J/mm³. En dessous de cette valeur, le régime humping et conduction sont prédominants. Lorsque la DEV est supérieure au second point d'inflexion de 52.2 J/mm³, c'est plutôt le régime de fusion keyhole qui est prédominant. Le régime de transition mentionné précédemment se trouve entre les deux points d'inflexions. Ce résultat confirme bien que les valeurs 42 et 52.2 J/mm³ sont bien des valeurs seuilles qui permettent de passer du régime conduction au régime transition et du régime transition au régime keyhole.

L'aspect de rapport (AR) profondeur/largeur du bain de fusion a été montré comme un paramètre susceptible d'être corrélé avec les différents régimes de fusion. Par exemple, pour le cas de poudre Qi et al. ont trouvé que lorsque AR < 0.5 on est en régime de conduction, en régime transition lorsque AR est compris 0.5 et 1.1 et en régime de keyhole lorsqu'on a 1.1<AR, respectivement. Tenbrock et al. ont défini pour les aciers inoxydables, qu'il y'a régime keyhole

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

lorsque aspect de rapport est supérieure à 0.8 tandis que la fusion en régime conduction si cet aspect de rapport est inférieur à 0.8.

D'après la figure 3.5, on observe les mêmes seuils d'énergie de transition entre les différents régimes de fusion. Dans le cas du modèle sans poudre, on trouve que la fusion est en régime keyhole lorsque AR est supérieur à 1.3, en régime conduction si AR est inférieur à 1.05 et en régime transition lorsqu'il est compris entre 1.05 et 1.3.

Pour le cas avec poudre on trouve que le régime keyhole est prédominant si AR est supérieur à 1.05, tandis que le régime conduction prédomine si AR est inférieur à 0.7 et le régime transitoire lorsque AR est compris entre 0.7 et 1.05. En conclusion, ces valeurs peuvent être utilisées comme critères permettant d'identifier le régime de fusion en SLM des alliages de Ti6Al4V. Ces critères permettront de s'affranchir des analyses métallurgiques qui sont parfois très couteuses.

Figure 3-5: Variation de l'aspect rapport profondeur/largeur du bain en fonction de la
densité d'énergie volumique (DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b) substrat avec
poudre du même matériau.

Pour discuter de la précision des résultats obtenus précédemment nous avons réalisé des simulations du procédé de fabrication avec les modèles numériques développés au sein de l'entreprise ESI Group à Rungis en France.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

3.1.4 Simulation numérique du bain de fusion

La figure 3.6 montre les résultats de simulation pour les cordons S16 et T16 où une puissance de faisceau de 350 W et une vitesse de balayage de 350 mm.s^-1 sont appliquées dans le cas du modèle de substrat et de poudre.

Figure 3-6: Prédiction de la forme d'un simple cordon obtenu à partir des paramètres
d'impression S16 et T16

Dans cette section, notons qu'initialement les calculs numériques sont effectués avec un coefficient d'absorption constant de 0.42, issu de la littérature. Dans le cas du modèle avec poudre, l'état initial du lit de poudre est tiré d'un modèle DEM (Discret Element Method) et étalé sur le substrat en vrac, puis les mêmes paramètres laser sont utilisés pour la simulation de la fusion. Comme on le voit, on observe une bonne stabilité des pistes. La profondeur du bain de fusion augmente jusqu'à atteindre un état quasi-stationnaire. La température maximale localisée varie de 288.1 à 4960 K en comparaison avec le modèle de substrat qui varie de 347.9 à 3249 K. Comme prévu, le modèle avec poudre nécessite plus d'énergie que le modèle de substrat car l'énergie de radiation est moins réfléchie et absorbée par le lit de poudre de 0.35mm.

Les sections transversales obtenues à partir du plan de coupe des résultats numériques sont comparées aux observations expérimentales sur la figure 3.7. Les simulations montrent qu'une dépression de vapeur (interface métal gaz/liquide) est créée dans le matériau pendant la fusion laser pour différentes conditions de traitement. Il est observé qu'une dépression de vapeur élevée (interface gaz/métal liquide) conduit à un bain de fusion profond pour former le mode trou de serrure. Cela confirme que la formation du trou de serrure est principalement due à une dépression de vapeur qui pénètre dans la masse de la pièce pendant le processus SLM, comme

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

prévu. Cependant, une différence est observée à l'avant du bain de fusion, en particulier pour le mode prédominant du trou de serrure (Fig. 3.7).

Figure 3-7: Section transversale prédite d'une piste unique et résultats numériques (ligne
noire) comparés aux observations expérimentales pour (a) le substrat S16 et (b) le lit de

Concernant les dimensions associées, les largeurs prédites du bain de fusion sont de 180 (Fig. 3.7a) et 195 um (Fig. 3.7b) pour les deux pistes S16 et T16 respectivement. Ces résultats sont 45 % et 30 % inférieurs aux largeurs moyennes du pool de fusion mesurées expérimentalement de 330 #177; 39 et 280 #177; 10 ìm (Fig. 3.8b). La profondeur prédite du pool de fusion de 533 ìm (Fig. 3.7a) est bien corrélée avec la profondeur moyenne mesurée expérimentalement de 546 #177; 34 ìm pour la piste S16 (Fig. 3.7a) tandis que nous pouvons trouver une profondeur prédite du pool de fusion de 450 ìm (Fig. 3.7b) qui concorde avec la profondeur moyenne mesurée expérimentalement de 426,75 #177; 8 ìm pour la piste T16. Enfin, on constate que toutes les tailles du pool de fusion sont bien corrélées avec les résultats expérimentaux, sauf pour la largeur lorsque la DEV est supérieure à 45 J.mm^-3 dans le cas du modèle de substrat. Dans ce cas, on peut trouver une différence entre la largeur du bain de fusion prédite et mesurée. Ces caractéristiques peuvent être observées à titre d'exemple dans la Fig. 3.8 où la profondeur et la largeur du bain de fusion mesurées et prédites sous différentes puissances de faisceau laser et vitesses de balayage pour le cas du substrat sont comparées.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

Figure 3-8: Profondeur et largeur du bain de fusion mesurées et prédites sous différentes
puissances de faisceau laser et vitesses de balayage pour le cas du substrat.

Pour conclure, sur la base de la comparaison de la forme et des dimensions du bain de fusion mentionnée précédemment, il apparaît que toutes les simulations concordent bien avec l'expérience en ce qui concerne la morphologie et les dimensions pour les modes de fusion par conduction et par transition. Cependant, pour le mode de fusion prédominant par trou de serrure, seules la forme et la profondeur prédites du bassin de fusion correspondent bien à l'expérience, tandis qu'une différence significative est observée dans la largeur du bain de fusion. Ces résultats peuvent être expliqués par le fait que dans le mode de fusion en trou de serrure, une énergie élevée est engagée, entraînant un chauffage excessif et localisé du métal qui provoque la vaporisation des éléments d'alliage et l'apparition d'une très grande cavité de vapeur ainsi que la présence d'un plasma dans le liquide [91]. Cette vaporisation intensive du matériau applique une pression de recul au bain liquide, créant ainsi une zone de dépression. Avec la formation de cette dernière, le faisceau laser interagit directement sur le mélange liquide-vapeur à l'intérieur du bain où se trouve le capillaire gazeux. Cette interaction complexe liquide-vapeur augmente le coefficient d'absorption, ce qui entraîne une augmentation de la largeur du bain de fusion, qui variera davantage que la profondeur, car à une certaine profondeur, le rayonnement est piégé et devient constant (proche du corps noir) [92]. Par conséquent, pour corréler la largeur

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

prédite du bassin de fusion avec les valeurs mesurées, une amélioration de la façon dont l'énergie est distribuée dans le bain de fusion en augmentant le coefficient d'absorptivité est nécessaire.

Dans cette étude, une estimation du coefficient d'absorptivité a été proposée numériquement pour comparer efficacement les mesures expérimentales et la simulation numérique. Comme le montre la figure 3.9, cette approche permet d'augmenter le coefficient d'absorption de 0,42 à 0,7.

Figure 3-9: Coefficient d'absorption en fonction de la température pour l'alliage Ti6Al4V

La comparaison entre la forme prédite du bain de fusion en utilisant les nouvelles valeurs calibrées pour l'absorptivité et l'observation expérimentale est présentée dans la Figure 3.10

Figure 3-10: Comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux après
calibration du coefficient d'absorption pour la piste S16.

Cette comparaison est obtenue pour le cas du substrat avec la piste S16. Comme le montre la figure 3.10, un bon accord est obtenu entre le profil numérique basé sur la variation

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

de température et le résultat expérimental (ligne noire) dans le cas du mode de fusion en trou de serrure. Ce résultat démontre l'importance de prendre en compte la variation du coefficient d'absorption avec la température pour le mode de fusion en trou de serrure prédominant afin d'obtenir un bon accord avec le résultat expérimental. Par conséquent, la calibration de l'absorptivité est répétée pour les cas simulés afin d'améliorer tous les résultats.

3.2 Étude De Sensibilité 3.2.1 Introduction

Au cours du procédé de fabrication SLM, un grand nombre de paramètres gouvernent l'intégrité finale de la pièce à fabriquer. Les investigations expérimentales et numériques effectuées précédemment ont permis d'analyser l'effet de certains paramètres procédés tels que la puissance laser, la vitesse de balayage et la densité d'énergie volumique durant le processus de fabrication. Ces analyses ont permis de définir la paramètrie optimale nécessaire à l'obtention de cordons stables, continus, uniformes et denses. Par contre on constate que ces analyses ne considèrent qu'un nombre très limité de paramètres parmi ceux que compte le procédé et ne renseignent aucunement sur l'influence de ces paramètres vis-à-vis du procédé et vis-à-vis des paramètres considérés. Or la compréhension de la relation entre ces paramètres et leurs effets sur le processus de fabrication est crucial la qualité géométrique et physique des pièces produites.

Grace aux modules Spreading et Melting développés pour des simulations à l'échelle microscopique par ESI Group, il est possible d'analyser des indices de sensibilité qui quantifient l'influences des entrées de ces modules sur leur sortie simulée : c'est l'analyse ou l'étude de sensibilité. Elle permettra de mieux comprendre les relations entre l'entrée et la sortie des variables du modèle étudié, d'identifier les paramètres qui nécessitent une meilleure estimation afin de réduire les incertitudes du modèle, l'identification des phénomènes prédominants dans le système physique étudié et la simplification du modèle en fixant les entrées qui n'ont pas d'effet sur la sortie simulée.

Dans cette section, on présentera l'analyse de sensibilité du modèle de simulations des procédés de fabrication additive sur lit de poudre du module melting.

Nous cherchons à étudier la sensibilité des paramètres de sortie (taille du bain de fusion) à une perturbation de chaque paramètre d'entrée. En étudiant comment la réponse du modèle réagit aux variations de ses variables d'entrée, l'analyse de sensibilité nous permet de répondre

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

à un certain nombre de questions : le modèle est-il bien fidèle au phénomène modélisé ? en effet, si l'analyse exhibe une forte influence d'une variable d'entrée, habituellement connue comme non influente, il sera nécessaire de remettre en cause la qualité du modèle ou/et la véracité de nos connaissances sur l'impact réel de ces variables d'entrée. C'est l'analyse de sensibilité locale appelée One-Factor-AT-A-Time qui a été utilisée dans cette étude. Elle nous renseigne sur l'effet d'une faible perturbation autour d'une variable d'entrée sur une variable de sortie simulée. Dans le cas présent la perturbation correspond à diminuer chaque valeur d'entrée de 10% de sa valeur de référence initiale. L'analyse de sensibilité est obtenue à partir du calcul d'un indice de sensibilité simple :

Xi représente une variable d'entrée perturbée c'est-à-dire diminuée de 10% de sa

variable de référence, Xref. Les variables d'entrée de référence sont indiquées dans le tableau III.1.

N°	Paramètres d'entrée	Valeurs	N°	Paramètres d'entrée	Valeurs
1	Température solide/ liquide [K]	1868/1923	15	Tension de surface [L/m²]	2.026
2	Densité solide [kg/m³]	4200	16	Densité du gaz [kg/m³]	0.6
3	Densité liquide [kg/m³]	3900	17	Viscosité du gaz [mPa.s]	2e-5
4	Conductivité thermique solide [W/m.K]	18	18	Chaleur spécifique du gaz [J/mol.K]	1007
5	Conductivité thermique liquide [W/m.K]	34.5	19	Conductivité thermique gaz [W/m.K]	1.7e-2
6	Chaleur spécifique solide [J/kg.K]	650	20	Power [W]	200
7	Chaleur spécifique liquide [J/kg.K]	830	21	Diamètre du laser [um]	60
8	Chaleur latente de fusion [J/kg.K]	32e4	22	Speed [m/s]	1
9	Chaleur latente solide [J/kg]	28.6e4	23	Épaisseur de couche [m]	0.12e-3
10	Chaleur latente liquide [J/kg.K]	97e5
11	Émissivité liquide	0.4
12	Émissivité solide	0.6
13	Coefficient absorption solide	0.2
14	Coefficient d'absorption liquide	0.2

Après simulation, on obtient une variable de sortie de référence Y(Xref) correspondant

aux variables d'entrée de référence. Dans notre cas les variables de sortie de référence sont la largeur et la profondeur du bain de fusion puisque la longueur du bain présente une instabilité

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

importante. La figure 3.12 montre l'effet de la perturbation d'une variable d'entrée sur la profondeur du bain de fusion à l'instant t=0.0003s (Figure 3.11).

Figure 3-11: Cas P = 200 W, V = 1000 mm/s - interface métal / gaz - contours de

La température du liquidus ou solidus (X1), la conductivité thermique solide (X4), la chaleur spécifique solide (X6) et liquide (X7), la puissance, la vitesse et le diamètre du laser sont des variables qui contribuent le plus à la variabilité de la profondeur du bain de fusion. Ainsi la variabilité de la profondeur du bain de fusion pourra être diminuée en concentrant les efforts sur la réduction de la variabilité de ces entrées les plus influentes. Il doit être précisé que

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

cela n'est pas toujours possible, notamment lorsque la variabilité d'une variable d'entrée est intrinsèque à la nature de la variable et non due à un manque d'information ou à des imprécisions de mesures. Certaines variables d'entrée semblent au contraire moins influentes. On pourrait supprimer les variables qui n'ont aucune influence tel que la viscosité du gaz (X17), et obtenir ainsi un modèle plus léger avec moins de variables d'entrée qui n'ont aucune influence. L'analyse étant locale, il n'est pratiquement pas possible de connaitre quelles variables, ou quels groupes de variables, interagissent entre eux.

Pour le cas de la largeur du bain de fusion, les paramètres d'entrée ayant un indice de sensibilité plus important sont la température du liquidus ou solidus (X1), la conductivité thermique solide (X4), la chaleur spécifique solide (X6) et liquide (X7), la puissance, la vitesse et la hauteur de poudre (Figure 3.13). Ainsi la variabilité de la largeur du bain de fusion pourra être diminuée en réduisant la variabilité de ces entrées les plus influentes. Comme dans le cas précédent, afin d'obtenir un modèle plus léger avec moins de variables d'entrée, on pourrait supprimer les variables qui n'ont aucune influence sur cette réponse du modèle tel que les tensions de surface (X15), la densité du gaz (X16), la viscosité du gaz (X17) et la chaleur spécifique du gaz (X18).

Il est possible que la modification d'une variable d'entrée la plus influente pour diminuer les incertitudes n'influe pas seulement sur une variable de sortie mais plutôt sur

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

plusieurs variables de sortie. Dans ce cas il n'est pas recommandé de s'aventurer à l'analyse de sensibilité présentée précédemment. Dans une telle situation, on pourrait effectuer une analyse de sensibilité spatiale. La Figure 3.14 illustre l'analyse de sensibilité spatiale dans le cas de notre modèle.

Les données d'entrée sont différenciées par couleur : bleue pour les propriétés du matériau, verte pour les propriétés du gaz et rouge les paramètres du procédé. Le domaine 1 ou zone 1 est constitué des variables qui entrainent une faible variabilité des réponses du modèle. On constate que les propriétés du gaz et quelques propriétés matériau influent moins les réponses du modèle. Les zones 2, 3 et 4 représentent les variabilités importantes du modèle. On peut noter que les paramètres procédés (hauteur de poudre, vitesse, puissance et diamètre du laser) sont des variables d'entrée qui contribuent le plus à la variabilité du couple profondeur-largeur du bain de fusion. Ce résultat est en accord avec les travaux publiés dans la littérature. On observe que la variabilité de la profondeur du bain est plus importante pour les données d'entrée de la zone 2 tandis que celles de la zone 4 influent plus la largeur du bain de fusion. La variabilité de la hauteur et la largeur du bain de fusion est plutôt décroissante pour les données d'entrée de la zone 3.

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS

3.3 Conclusion

Ce chapitre a mis en évidence expérimentalement et numériquement l'influence des certains paramètres procédés tels que la puissance laser, la vitesse de balayage et la densité d'énergie volumique sur la morphologie en surface et en profondeur de cordons au cours du procédé SLM. Les analyses effectuées ont permis de définir la paramètrie nécessaire à l'obtention de cordons continus, uniformes, stables et denses.

Par la suite, une étude de sensibilité sur le module des paramètres de sortie (taille du bain) à une perturbation de chaque paramètre d'entrée a été effectuée sur le module melting développé par ESI Group. Il en découle que les paramètres procédés sont ceux qui ont le plus d'influence sur la variabilité des réponses du modèle.

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES

Le procédé de fusion laser sélective, appartenant à la famille de la fabrication additive, présente de nombreux avantages (flexibilité géométrique,...) mais aussi quelques inconvénients, comme l'état de surface des pièces construites, qui doit être amélioré. Une bonne maîtrise et compréhension du procédé est importante afin d'augmenter la qualité des pièces construites.

Puisque le procédé SLM est gouverné par un grand nombre de paramètres dits paramètres procédés et qu'une pièce obtenue par ce procédé représente plusieurs centaines de mètres de cordons, les objectifs de cette étude étaient d'analyser et de simuler l'influence de certains paramètres procédés tels que la puissance laser, la vitesse de balayage et la densité d'énergie volumique lors de la fusion du lit de poudre afin de mieux les quantifier, avant de faire une analyse de sensibilité. Pour cette étude, le principal matériau utilisé est l'alliage de Titane Ti6Al4V.

L'étude de bibliographie dont le premier chapitre fait l'objet a mis en évidence certaines notions essentielles de la fabrication additive telles son principe, ses avantages, ses limites, ses domaines d'applications. Un état d'art a également été consacré à une étude comparative entre la fabrication additive et les méthodes de fabrication conventionnelles telles que les méthodes soustractive et formative avant de présenter les différents procédés appartenant à la famille de fabrication additive et plus spécifiquement le procédé de fusion sélective par laser ou SLM (Selective Layer Melting).

Le chapitre 2 a porté sur la présentation des différents travaux numériques et expérimentaux menés au cours de cette étude.

? Les travaux expérimentaux ont consisté grâce à une machine de fusion sur lit de

poudre Concept Laser M2 Dual à fabriquer des cordons unitaires sous différents paramètres de puissance laser et de vitesse de balayage comme décrit par le tableau 2.1 dans le but d'étudier l'influence des paramètres considéré sur la morphologie en surface des pièces obtenues en SLM. Ces paramètres ont été choisi de manière à obtenir des plages similaires en terme de densité d'énergie volumique du laser (Équation 1). Au cours de ces travaux, deux cas ont été envisagé : celui du substrat sans lit de poudre et celui du substrat avec lit de

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES

poudre fait à partir de l'alliage de Ti6Al4V. Ainsi pour chacun de ces cas, un total de 24 cordons unitaires a été réalisé.

V' Les travaux numériques ont porté sur la simulation du procédé SLM avec pour objectif principal d'étudier l'influence des caractéristiques du processus telles que la puissance laser, la vitesse de balayage et la densité d'énergie volumique afin d'améliorer la compréhension de ce procédé de fabrication. Pour ces études de simulation, le module melting (module de fusion) de fabrication additive EST du fournisseur de logiciel commercial EST Group a été utilisé. L'approche numérique s'est basée sur la méthode de la dynamique des fluides computationnelle (DFC) pour résoudre les différentes équations fondamentales qui régissent les différents phénomènes physiques qui ont lieu au cours de la fusion du lit de poudre. Par la suite un solveur DEM (Discret Element Method) a été utilisé pour simuler le processus d'étalement d'une poudre Ti6Al4V sur une table de déplacement qui sera utilisé comme entrée pour la simulation de fusion.

Dans le chapitre III, consacré d'une part aux investigations expérimentales et numériques de l'interaction laser-poudre-zone fondue en SLM, nous avons pu caractériser et quantifier : (1) l'effet des paramètres procédés sur la morphologie de surface d'un cordon, (2) l'effet des paramètres procédés sur le régime de fusion, et (3) le seuil des régimes de fusion. Pour chacune de ces analyses, il en est ressorti les observations suivantes :

V' Pour toutes les puissances données, la largeur des cordons diminue avec l'augmentation de la vitesse de balayage ceci pouvant s'expliquer par le fait que l'augmentation de la vitesse de balayage va causer une diminution de la densité d'énergie volumique fournie et donc de la température nécessaire à la fusion du matériau. Cette augmentation de la vitesse de balayage sera à l'origine de morphologie non désirable marqué par des instabilités appelées « Humping » (Figure 3.1). Un faisceau laser balayant à faible vitesse la surface d'un matériau produit un bain liquide de forme approximativement hémisphérique, qui prend une forme plus allongée à haute vitesse.

V' La densité d'énergie volumique à elle seule ne suffit pas à la caractérisation de la morphologie de surface d'un cordon. Elle dépend aussi bien de la puissance laser et de la vitesse de balayage (Figure 3.2).

V' Les coupes transversales (Figure 3.3) montrent qu'au cours du procédé SLM, quatre régimes de fusion sont observés : le régime instable appelé « Humping »,

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES

le régime de conduction, le régime indésirable appelé « Keyhole » et le régime transitoire.

V' L'aspect de rapport (AR) profondeur/largeur du bain de fusion a été montré comme un paramètre susceptible d'être corrélé avec les différents régimes de fusion (Figure 3.4).

Fort de ce qui précède, il en découle que les analyses micrographiques en surface permettent d'optimiser la continuité et l'uniformité des cordons tandis que les analyses de coupe transversales permettent plutôt d'optimiser la densité du cordon. Ainsi, il est nécessaire d'utiliser les deux formes d'approches pour optimiser le plan d'expérience d'un procédé de fabrication SLM. Largeur et profondeur de pénétration du bain de fusion sont les caractéristiques géométriques les plus importantes pour obtenir des pièces denses car leurs dimensions doivent être suffisantes pour permettre le chevauchement des cordons et la liaison des couches successives entre elles. En comparant les résultats numériques et expérimentaux, une corrélation plutôt satisfaisante est observée. Les valeurs numériques de la largeur et de la profondeur du bain de fusion se trouvent bien dans la gamme des valeurs du domaine expérimental correspondant. La méthode d'analyse numérique proposée semble donc adaptée pour fournir une bonne prédiction des dimensions du bain de fusion. La profondeur du bain de fusion et sa largeur sont inversement proportionnelles à la vitesse de balayage effective du laser. Les dimensions du bain de fusion diminuent avec l'augmentation de la vitesse de balayage (c'est-à-dire la diminution de la durée d'exposition). Le temps d'exposition du faisceau laser affecte la quantité d'énergie transférée au matériau. Ce paramètre est donc un facteur important pour obtenir une fusion complète du matériau. Les observations faites dans notre cas (alliage de Titane Ti6Al4V) correspondent aux conclusions tirées par Antony et al. [70] lors de la fusion d'une poudre d'acier inoxydable 316L.

D'autre part, le chapitre III a également été consacré à l'analyse de sensibilité des paramètres procédés grâce au module melting développé par ESI Group. Elle consiste en une analyse des indices de sensibilité qui quantifient l'influence des entrées du module sur leur sortie simulée. Cette analyse considèrera comme indice de sensibilité la profondeur et la largeur du bain de fusion pour le cas d'espèce présent. Il en découle les conclusions suivantes :

V' La température du liquidus ou solidus (X1), la conductivité thermique solide (X4), la chaleur spécifique solide (X6) et liquide (X7), la puissance, la vitesse et le diamètre du laser sont des variables qui contribuent le plus à la variabilité de la profondeur du bain de fusion (Figure 3.12).

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES

? Pour le cas de la largeur du bain de fusion, les paramètres d'entrée ayant un indice de sensibilité plus important sont la température du liquidus ou solidus (X1), la conductivité thermique solide (X4), la chaleur spécifique solide (X6) et liquide (X7), la puissance, la vitesse et la hauteur de poudre (Figure 3.13).

De cette étude il est clair que les paramètres procédés sont ceux qui ont le plus d'influence sur la variabilité des réponses du module melting (Figure 3.14). Ainsi une connaissance des données d'entrées importantes ou négligeable permettrons d'améliorer le module de fusion.

Ce travail constitue donc une étape dans l'étude et la modélisation des phénomènes physiques intervenant lors de l'interaction d'un faisceau laser avec la matière en SLM en considérant le rôle des paramètres procédés. Il a permis de fournir des éléments de réponse sur l'influence de la vitesse de balayage, la puissance laser et la densité d'énergie volumique sur la caractérisation dimensionnelle (largeur et profondeur du bain de fusion) des cordons obtenus par SLM. Une amélioration du modèle et la mise en place d'autres caractérisations expérimentales peuvent être entrevues à travers une étude plus approfondie de l'aspect rapport profondeur/largeur du bain de fusion qui permettra peut-être de trouver une valeur optimale de ce paramètre pour un objectif principal et commun à toutes les recherches autour du procédé SLM, celui de l'amélioration de la qualité des pièces fabriquées avec ce procédé.

biomedical applications», Journal of Manufacturing Processes. Vol.13. pp.160-170. August 2011.