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Réf. : BM7900
Fusion laser sélective de lit
Date de publication :
10 février 2016 de poudres métalliques
Cet article est issu de : Mécanique | Travail des matériaux - Assemblage
par Sébastien PILLOT
Mots-clés Résumé La fusion laser sélective de lit de poudres métalliques est une technique de
fusion laser sélective | dentaire fabrication additive qui permet la réalisation de pièces complexes jusqu'à de moyennes
| médical | aéronautique |
aérospatial | outillage séries pour des secteurs industriels variés comme l’industrie médicale ou l’aérospatiale.
d'injection | matériaux et Afin de tirer le meilleur parti de cette technologie, il est nécessaire de l’intégrer dans une
conception adaptée
chaîne de valeur complète allant de la conception aux post-traitements. Cet article traite
de cette chaine de valeur. Après une décennie d’existence commerciale, cette technologie
évolue vers un cadre normatif en cours de construction au niveau mondial.
Keywords Abstract Selective laser melting of metal powder bed is an additive manufacturing
selective laser melting | technique that allows the production of complex parts up to medium series for various
dentistry | medicine |
aeronautics | aerospace | industries such as medicine or aerospace one. To make the most of this technology, it is
injection tooling | material and necessary to integrate it into a complete value chain from upstream design conception to
adapted design
downstream post- treatment. This article will explain this complete value chain In addition,
after nearly a decade of commercial life, it evolves into a normative framework
construction yard in the world.
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Fusion laser sélective de lit
de poudres métalliques
par Sébastien PILLOT
Ingénieur R&D
CETIM-CERTEC, Bourges, France
1. Principe général de la fusion laser sélective de lit de poudres BM 7 900 - 2
métalliques .............................................................................................
2. Équipements actuels .................................................................................... — 2
3. Exemples de réalisation ...................................................................... — 2
4. Supports de fabrication ...................................................................... — 5
5. Paramètres influents du procédé ..................................................... — 6
6. Temps de fabrication ........................................................................... — 9
7. Matériaux mis en œuvre ..................................................................... — 10
8. Adapter la conception au procédé .................................................. — 18
9. Travaux de normalisation ................................................................... — 21
10. Perspectives ........................................................................................... — 21
11. Glossaire.................................................................................................. — 21
Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. BM 7 900
pparue vers la fin des années 1990, la fusion laser sélective sur lit de
A poudres métalliques (Selective Laser Melting – SLM) est une technique de
fabrication par ajout de matière couche par couche, dite itérative, de la famille
des procédés de fabrication additive. Elle apporte des solutions innovantes
pour la fabrication directe avec la matière adéquate de pièces mécaniques.
C’est un procédé destiné à fabriquer des pièces complexes à forte valeur
ajoutée à partir d’un fichier CAO (Conception Assistée par Ordinateur) dans de
courts délais et sans outillage.
Les domaines d’applications de cette technologie concernent plusieurs sec-
teurs industriels, principalement les industries dentaire, médicale, du moule
d’injection de polymères, aéronautique, spatiale, de l’armement, mais aussi le
luxe. Elle peut être utilisée comme moyen de prototypage rapide mais surtout
comme moyen de production de pièces en petites ou moyennes séries. Dans
ce cas, nous parlerons alors de fabrication directe.
Les principaux avantages de cette technologie sont la réduction des délais et
des outillages, l’allégement, la personnalisation, la réalisation de canaux de
régulation thermique internes dits conformes et la diminution du nombre
d’éléments d’un assemblage par la réalisation de pièces de géométries irréali-
sables avec des procédés conventionnels.
Cet article sur la fusion laser traite de la chaîne de valeur, depuis la
conception jusqu’aux post-traitements, nécessaires pour assurer un bon
niveau de qualité pour ces différents secteurs industriels.
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FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES _______________________________________________________________________________
1. Principe général de la
fusion laser sélective de lit Couche d’épaisseur donnée
de poudres métalliques
Ce procédé consiste à agréger par fusion sélective dans une CAO d’origine
enceinte sous gaz neutre les particules d’un lit de poudre à l’aide
d’un faisceau laser qui balaie la surface et fait fondre simplement
la poudre sur une section déterminée par le fichier STL. Après soli-
dification de la couche, la plateforme de construction est abaissée
pour pouvoir étaler une nouvelle couche de poudre d’épaisseur
prédéterminée. Le laser balaie à nouveau la surface de la poudre Support d’édification
pour créer une section additionnelle superposée à la couche précé-
dente (figures 1 et 2). La pièce en 3D est en quelque sorte un
empilement de strates planes en 2D. Plateau de fabrication
Ce procédé de fabrication nécessite la construction de supports
d’édification pour certaines pièces comportant des surfaces en
Figure 3 – Schéma de principe d’une pièce et des supports
contre-dépouille. À l’inverse du frittage laser sur lit de poudres d’édification
polymères, la poudre n’est pas totalement autoporteuse. En fin de
process, nous trouvons, dans la zone de fabrication, la ou les
pièces mises en forme, les supports d’édification entre le plateau La chaîne numérique est la même que pour tous les autres pro-
de fabrication et les pièces, ainsi que de la poudre non fusionnée cédés de fabrication additive avec supports d’édification, à savoir :
(figure 3).
– fichier CAO au format classique ;
– transformation en fichier STL ;
– positionnement dans la zone virtuelle de travail ;
Tête Beam – mise en place virtuelle des supports d’édification ;
scanner = expender = Collimateur = Laser
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– tranchage du ou des fichiers STL (passage du 3D au 2D) ;
Lentille – calcul des trajectoires laser ;
f-thêta
– fabrication itérative des tranches 2D.
Système de mise
en couche Hublot
Gaz
neutre Poudre
2. Équipements actuels
À ce jour, le marché de la fusion laser se partage entre six
Pièce
constructeurs principaux (EOS, 3D Systems, SLM Solutions,
Faisceau laser
Concept Laser, Renishaw et Realizer). Généralement, ces construc-
teurs proposent des machines et des poudres de différents maté-
riaux avec leurs paramètres d’utilisation (tableau 1). Il est toutefois
possible d’utiliser d’autres sources d’approvisionnements en pou-
Plateforme de fabrication dres sous réserve de ne pas sortir du domaine de garantie des
machines et d’en trouver les paramètres de mise en œuvre.
Figure 1 – Schéma de principe du procédé de fusion laser sélective
3. Exemples de réalisation
Dans le cas de la fabrication directe (fabrication de pièces finales
et non de prototypes), les principaux secteurs utilisateurs sont la
plasturgie, le dentaire, le médical, l’aérospatial, l’aéronautique, le
sport mécanique de compétition et la bijouterie. Dans le cas de la
fabrication de prototypes, tous les secteurs industriels peuvent
être potentiellement représentés.
Dans la plasturgie, cette technologie est utilisée pour la réalisa-
tion d’empreintes ou de parties d’empreintes de moules d’injection
de polymères avec de nouvelles fonctionnalités internes (canaux
de régulation thermique passant au plus près des surfaces mou-
lantes). Cela permet d’obtenir des pièces série « bonne matière et
bon procédé » avec des gains de productivité de l’ordre de 20 à
40 % sur les temps de cycle par rapport aux outillages conven-
tionnels (figure 4). Le matériau généralement employé pour cette
application est l’acier maraging X3NiCoMoTi 18 9 5 traité thermi-
Figure 2 – Effet du laser sur la couche de poudre quement.
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Tableau 1 – Machines proposées par les constructeurs en 2014
Dimension zone de fabrication
Puissance source
Constructeur Machine laser
X Y Z Volume
(W)
(mm) (mm) (mm) (l)
M 80 Diamètre 80 mm 95 0,5 100
M 280 250 250 325 20,3 200 ou 400
EOS
M 290 250 250 325 20,3 400
M 400 400 400 400 64,0 1 000
PX100 100 100 80 0,8 50
PX200 140 140 100 2,0 300
3D SYSTEMS (ex
PHENIX SYSTEMS)
PX300 250 250 300 18,8 500
PX400 500 500 500 125,0 2 × 500 ou 1 000
125 HL 125 125 75 ou 125 1,2 ou 2 100 ou 200
400 ou 400 et
280 HL 280 280 350 27,4
SLM SOLUTIONS 1 000
2 × 400 ou 2 × 400
500 HL 500 280 325 45,5
et 2 × 1 000
Mlab 50 ou 70 ou 90 50 ou 70 ou 90 80 0,2 ou 0,4 ou 0,6 100
M1 250 250 250 15,6 200
CONCEPT LASER M2 250 250 280 17,5 200 ou 400
M3 Linear 300 350 300 31,5 200 ou 400
X line 1000R 630 400 500 126,0 1 000
RENISHAW AM250 250 250 300 ou 360 18,8 ou 22,5 200 ou 400
SLM 50 Diamètre 70 mm 40 0,2 120
SLM 100 125 125 200 3,1 200
REALIZER
SLM 250 250 250 300 18,8 400 ou 600
SLM 300 300 300 300 27,0 Jusqu’à 1 000
Figure 4 – Empreintes d’injection plastique avec canaux de régulation « conformes » (© Renishaw)
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Pour le secteur dentaire, plusieurs fabricants d’équipement de généralement à base de structures en lattices, ce type de
fusion laser sélective ont qualifié leurs machines pour la fabrica- construction favorisant l’ostéo-intégration (figure 6).
tion directe de couronnes, de chapes et de bridges, exclusivement
en alliages cobalt-chrome (figure 5). Dans les secteurs de l’aérospatial, de l’aéronautique et du sport
mécanique de compétition, elle est utilisée pour la réalisation de
Dans le domaine médical, cette technologie est utilisée pour la pièces complexes en petite série. Pour obtenir une réduction de
réalisation de prothèses, telles que des implants de genoux ou masse, cette technologie est souvent associée à l’optimisation
des jointures de hanches. Ces prothèses sont fabriquées en topologique (ne mettre de la matière que là où c’est nécessaire)
alliage de titane TiAl6V ou en alliage de chrome-cobalt CoCrMo. (figure 7). Les matériaux utilisés sont des alliages de titane et
Avec cette technologie, il est possible de façonner des prothèses d’aluminium, ainsi que des aciers inoxydables et des super-
personnalisées et/ou ayant des états de surface particuliers, alliages.
Figure 5 – Bridges et couronnes dentaires en CoCrMo (© Phenix Systems et EOS)
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Figure 6 – Cotyles personnalisés avec structure lattice en surface (© Mobelife)
Figure 7 – Exemples de pièces aéronautiques issues d’optimisation topologique
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Figure 8 – Exemple de bijoux (© Concept Laser)
Du fait de la possibilité de mise en œuvre de matériaux précieux
comme l’or et le platine, cette technologie est également utilisée Tableau 2 – Angle limite en fonction de la nature
par le secteur de la bijouterie (figure 8). du matériau
Famille de matériaux Angle limite
4. Supports de fabrication Titane 20 à 30°
Lors d’une fabrication, la température de l’enceinte étant très Acier 30°
loin du point de fusion de la poudre, à l’inverse du frittage laser
sur lit de poudres polymères, les retraits matière sont importants. Chrome-cobalt 30°
Donc, si les premières couches fabriquées par laser d’une pièce ne
sont pas solidement bridées au plateau de fabrication par des sup-
ports, elles s’incurvent. De plus, si les supports ne sont pas assez Inconel 45°
nombreux ou robustes, la fabrication peut se « crasher ». Le sys-
tème de mise en couche peut alors se retrouver bloqué par une Aluminium 45°
partie de la pièce en cours d’édification qui se soulève (figure 9).
Dans ce cas, il faut relancer la fabrication depuis le début en pre-
nant soin de prévoir des supports plus robustes ou plus nom-
breux. La figure 9 met en évidence ce phénomène d’incurvation Les supports sont bien évidemment dans la même matière que
lors d’une fabrication [1]. Les supports utilisés dans ce cas les pièces construites. Pour récupérer les pièces, il faut ensuite les
n’étaient pas assez robustes pour compenser les contraintes méca- enlever par des moyens dits conventionnels. Les étapes de fabrica-
niques engendrées par le retrait de la matière. La surface du sup- tion et d’enlèvement des supports, peuvent représenter une pro-
port en contact avec le plateau de fabrication ou la pièce n’était portion non négligeable du coût d’une pièce. Dans le cas de
pas assez importante. l’utilisation de la fusion laser comme moyen de production, et non
comme moyen de prototypage rapide, il est donc primordial
Selon le type de matériau mis en œuvre, toutes les surfaces en d’adapter la conception des pièces pour ce procédé, au même titre
contre-dépouille qui présentent un angle par rapport au plan XY que l’on adapte la conception d’une pièce moulée par exemple.
(horizontal) inférieur à un certain angle limite détaillé dans le L’idée est de concevoir des pièces qui s’auto-portent au maximum
tableau 2 doivent être supportées. afin de limiter la présence de supports. Quelques règles de
Des logiciels spécifiques permettent de mettre en place les sup- conception adaptées sont détaillées dans le paragraphe 8. Des
ports nécessaires avec des géométries adaptées pour limiter au pièces adaptées à la fusion laser peuvent toutefois nécessiter
maximum leur impact sur la pièce à construire (figure 10). encore beaucoup de supports pour leur réalisation (figure 11).
Figure 9 – Mise en évidence du phénomène d’incurvation [1]
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Point Line Gusset Web Contour Block
Pour de très petites Pour de petites Pour des Pour des Pour un Le meilleur choix
surfaces et des surfaces surplombs surfaces démontage pour les surfaces
faces inférieures ou côtés importants arrondies facile importantes
Figure 10 – Différentes géométries de supports d’édification (© Materialise)
près des cotes avec un bon état de surface. Pour ce faire, de
nombreux paramètres influent sur l’obtention de ces objectifs.
Nous détaillons ci-dessous une liste non exhaustive de ces diffé-
rents paramètres.
5.1 Poudre
Les épaisseurs de couches déposées vont typiquement de 20 µm
pour les plus fines à moins de 100 µm pour les plus épaisses. Les
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grains des poudres utilisées doivent présenter des granulométries
fines en rapport. De plus, afin d’assurer une bonne densité du lit
de poudre avant le passage du laser, les poudres utilisées
présentent une répartition granulométrique de type Gaussienne et
une morphologie des grains la plus sphérique possible (figure 12
et [2]). De ce fait, les poudres actuellement mises en œuvre pour le
procédé de fusion laser sont généralement élaborées par atomisa-
Figure 11 – Pièces nécessitant une quantité importante de support
tion sous gaz neutre (Argon).
L’atomisation (figure 13) consiste à morceler en gouttelettes un
filet de matière obtenu à partir d’un bain de matière métallique en
5. Paramètres influents fusion dans un autoclave. Les gouttelettes de matière se solidifient
dans la chambre d’atomisation grâce à un échange convectif avec
du procédé le gaz ambiant (Ar) et donnent de la poudre. Celle-ci est collectée
dans des pots réceptacles en partie basse de la tour et à la sortie
Les objectifs majeurs de la fusion laser sont la fabrication de des gaz d’atomisation. Le procédé permet d’obtenir des poudres
pièces denses (typiquement avec des taux de porosité inférieurs à de granulométrie resserrée, comprise généralement entre 1 et
1 %), présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, au plus 100 µm, et de morphologie sphérique.
10
9
8
Fréquence (% vol)
7
6
5
4
3
2
1
0
0,3
0,4
0,6
0,8
1,2
1,6
2,3
3,2
4,5
6,2
8,7
12,1
16,9
23,6
32,8
45,8
63,9
89,1
124,3
173,3
241,7
Taille des particules (µm)
Figure 12 – Répartition granulométrique et vue en microscopie électronique à balayage (MEB) de la morphologie d’une poudre d’AlSi10Mg [2]
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5.2 Enceinte de fabrication
Les fabrications sont effectuées sous atmosphère contrôlée (Ar
AUTOCLAVE ou N2). Le choix du gaz protecteur est défini par le type de maté-
riau utilisé. La pureté du gaz, ainsi que l’étanchéité de l’enceinte de
fabrication jouent un rôle important sur le procédé de fusion. Sou-
vent la température de l’enceinte peut être un élément majeur de
Bain en la fabrication, car elle peut conduire à étuver la poudre ou à
fusion relaxer des contraintes.
5.3 Mise en couche
Point Gouttelettes
de
? L’étape de la mise en couche est l’une des étapes les plus impor-
désintégration tantes du procédé. Parmi les systèmes principaux de mise en
couche de la poudre, nous distinguons la déposition par racleur
dur ou souple (par exemple chez EOS ou SLM Solutions), la dépo-
Chambre ?
sition par rouleau (par exemple chez 3D Systems) et la déposition
d’atomisation
? Cyclone à trémie (le piston de fabrication est descendu d’une certaine dis-
tance, puis la trémie, remplie de poudre, est déplacée horizontale-
Sortie
ment). Dans le but de garantir des mises en couche avec le moins
du gaz de défauts possible, des logiciels de contrôle de la qualité du lit de
poudre par analyse d’images ont été développés par les construc-
teurs (figure 14). Si le logiciel détecte un défaut, la mise en couche
est refaite avant de déclencher la phase d’action du laser.
5.4 Épaisseur de couche
L’épaisseur de couche Ec définie lors du tranchage du fichier
STL est un paramètre qui influence directement la résolution en z
de la pièce finale, le phénomène d’escalier et la durée de la fabri-
Pots réceptacles cation. Des couches fines améliorent la résolution, mais augmen-
de poudre tent le temps de construction. Actuellement, les fabrications se
font avec des couches de 20 à 100 µm. L’effet escalier est d’autant
plus visible sur les surfaces qui présentent un angle d’inclinaison
faible par rapport au plan XY et est bien sûr accentué avec des
épaisseurs de couches importantes (figure 15).
Figure 13 – Schéma de principe d’une tour d’atomisation (© Lermps) 5.5 Laser
Les sources laser présentes dans les machines de fusion sont
La composition chimique de la poudre avant et après fusion des Nd:YAG fibrés de longueur d’onde 1 064 nm, avec des puis-
laser a également une influence. Il n’est pas rare de constater des sances allant de 50 à 1 000 W, et utilisés en mode continu. Les fais-
différences de composition avant et après fusion laser, notamment ceaux sont de type Gaussien ou, depuis peu, uniforme sur certains
sur des éléments de type carbone, magnésium et zinc par lasers de 1 000 W. Sur certains équipements, il est possible de
exemple. La composition de la poudre doit alors être adaptée pour trouver jusqu’à quatre sources laser qui travaillent simultanément.
qu’après fusion laser, la composition soit dans les spécifications.
Les conditions de stockage sont également à prendre en compte
car elles influent sur le taux d’oxygène et le taux d’humidité de la
poudre.
Il existe par exemple une nuance spécifique de titane, du TiAl6V
ELI où le taux d’oxygène contenu dans la poudre ne doit pas dépas-
ser 0,13 % contre 0,2 % pour la nuance classique.
La poudre de titane (TiAl6V) est vendue par les constructeurs
de machine aux environs de 500 € le kilogramme. Pour réaliser
une fabrication au maximum de la hauteur dans une machine
avec un bac d’un volume de 125 l (la plus grosse machine du
marché), il faut approximativement 137 500 € de poudre (soit
275 kg) en considérant que la densité d’un lit de poudre est
moitié moindre que celle de la matière pleine.
En acier, le poids de poudre engageable dans cette machine
est de l’ordre d’une demi-tonne. Figure 14 – Logiciel de contrôle de la qualité des mises en couche
(© SLM Solutions)
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Enveloppe haute
Effet escalier
Contour
Angle avec
le plan XY
Angle avec
le plan XY
Figure 15 – Schéma de principe de l’effet escalier
5.6 Chaîne optique
Cœur
La chaîne optique des machines de fusion laser est constituée Enveloppe basse
d’un collimateur, d’un beam expender, d’une tête galvanométrique
(ou scanner) et d’une lentille F-Thêta. Figure 16 – Schéma de principe du contour, des enveloppes
et du cœur [2]
Le collimateur permet d’obtenir un faisceau de rayons parallèles
en sortie de la fibre optique.
Le beam expender permet d’augmenter le diamètre du faisceau 5.8 Stratégie de construction
laser. Par exemple, avec un beam expender réglé sur 3 et un dia-
mètre de faisceau laser en entrée de 5 mm, le diamètre en sortie La stratégie de construction correspond, pour le cœur d’une
sera alors de 3 × 5 = 15 mm.
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pièce, à la manière d’agencer les traits laser entre les différentes
La tête galvanométrique est constituée de deux miroirs effec- couches. Beaucoup de stratégies de construction ont été étudiées
tuant des mouvements de rotation, l’un autour de l’axe X et l’autre ces dix dernières années. Toutefois, les plus utilisées sont la stra-
autour de l’axe Y. Ces deux rotations permettent de déplacer le tégie dite croisée à 90° et la stratégie en damier comme illustrées
spot laser sur la surface de la zone de travail. sur la figure 17.
La lentille F-Thêta ou lentille à champ plat est utilisée pour foca- La stratégie croisée à 90° signifie que l’angle entre les traits laser
liser sur un plan le faisceau en sortie de la tête galvanométrique. de deux couches successives est de 90°. Toutefois, au sein d’une
Elle permet de maintenir le diamètre du spot sur le plan de travail couche, les traits laser sont parallèles les uns aux autres. Il est éga-
le plus constant possible. La densité d’énergie est alors homogène lement fréquent de rencontrer une stratégie croisée à 67°.
sur toute la zone de fabrication. En outre, plus le diamètre D du
faisceau laser avant la lentille est important, plus il est faible en La stratégie en damier est, quant à elle, une stratégie croisée
sortie d. La relation entre les diamètres d’entrée et de sortie est particulière. L’alternance d’orientation des traits laser se faisant
donnée par la formule (1). Cela explique la présence du beam entre « les cases noires et les cases blanches » et non d’une
expender dans la chaîne optique. couche à l’autre. La dimension des cases du damier est de l’ordre
de quelques millimètres de côté, généralement 5 mm. La stratégie
4 λf croisée permet de limiter l’anisotropie des propriétés mécaniques
d = (1) entre les directions X et Y. Quant à la stratégie en damier, elle per-
πD
met, en plus, de limiter les contraintes résiduelles dans le cas de
avec λ longueur d’onde du laser, pièces massives comme des empreintes de moules d’injection
plastique par exemple.
f distance focale de la lentille.
5.7 Contour, enveloppe et cœur 5.9 Vitesse de balayage laser
Comme le montre la figure 16, un fichier STL est découpé en La vitesse de balayage laser V correspond à la vitesse de dépla-
tranches de même épaisseur, où nous distinguons le contour de la cement du spot laser au niveau du lit de poudre. Le déplacement
pièce et le remplissage du cœur [2]. Le contour de la pièce n’est du faisceau laser est assuré par les deux miroirs en rotation de la
pas continu, il existe des zones en contact avec de la poudre non tête scanner. Pour atteindre sur la longueur d’un trait laser une
fusionnée qui ne sont ni du contour, ni du remplissage du cœur. vitesse de déplacement constante, les deux miroirs doivent
Ces zones constituent l’enveloppe de la pièce avec la peau haute et d’abord accélérer, puis décélérer à la fin du trait laser. Ces phases
la peau basse et peuvent avoir des paramétrages différents du d’accélération et de décélération se font en amont et en aval du
cœur dans un objectif d’amélioration de l’état de surface de la trait laser sans que le laser soit enclenché. Il s’agit de la technique
pièce construite. Généralement, l’enveloppe basse se réalise avec du skywriting (écriture dans le ciel) (figure 18).
un jeu de paramètres laser moins énergétique que le cœur, et
l’enveloppe haute plus énergétique. Un jeu de paramètres moins Suivant le matériau, pour des lasers de puissance élevée, ces
(plus) énergétique que le cœur peut se faire par exemple en dimi- phases d’accélération et de décélération peuvent représenter un
nuant (augmentant) la puissance du laser et/ou en augmentant temps non négligeable par rapport au temps de lasage à propre-
(diminuant) la vitesse de déplacement du balayage laser et/ou en ment parler et donc être néfastes pour la productivité de la
augmentant (diminuant) l’espacement entre les traits laser. machine.
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croisée à 90° croisée à 67° en damier
n+1 n + 2 (67°)
n
Slice n+1
n–1 n + 1 (67°)
n
Slice n
Alternance
z
y
x
Figure 17 – Différentes stratégies de construction
5.11 Corrections dimensionnelles
Section 2D pièce La fabrication par fusion laser engendre des retraits thermiques.
Vitesse de balayage laser Afin de compenser ces retraits et d’assurer au mieux le respect des
dimensions des pièces, des corrections géométriques sont norma-
V (mm/s) lement appliquées. Ces corrections sont du type :
Déclenchement Arrêt
laser laser – grossissement du fichier STL (facteurs multiplicatifs selon les
Vitesse stable trois directions X, Y et Z) ;
– décalage du faisceau laser par rapport au contour de la pièce
(facteur additif selon les deux directions X et Y) ;
– « Z compensation » (facteur additif selon la direction Z).
5.12 Post-traitements
À la sortie de la machine, une pièce n’est pas terminée. Elle est
reliée au plateau de fabrication par des supports d’édification. De
plus, l’état de surface, les dimensions, l’état de contraintes résiduelles
Accélération Décélération et l’état métallurgique ne sont pas forcément conformes au cahier
des charges. Il est donc nécessaire de réaliser des post-traitements.
Figure 18 – Principe du skywriting (© EOS) Les plus courants sont le grenaillage et le traitement thermique de
détentionnement avant de désolidariser les pièces et leurs supports
du plateau de fabrication par découpe à fil. L’enlèvement des
5.10 Écart vecteur supports, la mise aux cotes et la réalisation d’éléments de type
filetage/taraudage sont ensuite mis en œuvre par des procédés
L’écart vecteur Ev correspond pour la stratégie de remplissage à conventionnels d’usinage. Des traitements thermiques et de la
la distance entre deux traits laser successifs. Cet écart vecteur peut compression isostatique à chaud peuvent également être réalisés.
être relié à la largeur des traits laser Lc et au taux de recouvrement
Tr de ceux-ci par la formule (2) (figure 19). À l’opposé de l’écart
vecteur, l’intérêt du taux de recouvrement est d’être indépendant
des autres paramètres du procédé.
6. Temps de fabrication
T
Ev = Lc 1− r (2)
100 L’objet de ce paragraphe est de donner une méthode simple
d’estimation des temps de fabrication par fusion laser en ayant
pour seules informations, le volume des pièces et la hauteur de la
fabrication h. Cette estimation du temps de fabrication ne prend
Ev pas en compte les temps de chauffage et de refroidissement de
Tr l’enceinte, de réalisation des supports de construction, des
contours et de l’enveloppe de la pièce ainsi que du temps entre
deux traits laser successifs (skywriting et le temps entre la fin d’un
trait et le début d’un autre).
Le temps de fabrication peut être décomposé en deux phases,
Lc une phase de mise en couche et une phase de construction
laser (3) :
Figure 19 – Schéma de principe de l’écart vecteur Ev , de la largeur t fabrication = tmise en couche + t construction laser (3)
du cordon Lc et du taux de recouvrement Tr
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Tableau 3 – Vitesses de construction laser selon différentes sources
Épaisseur de Vitesse de Vitesse de
Référence Puissance laser Écart vecteur Ev
Matériaux couche Ec balayage laser V construction laser
bibliographique
(W) (µm) (mm · s–1) (µm) (cm3 · h–1)
[4] AlSi10Mg 200 30 1 400 105 15,9
[3] AlSi10Mg 900 50 1 700 250 76,5
[5] AlSi10Mg 250 50 500 150 13,5
[6] X110CrMoVAl 8-2 150 30 700 75 5,7
[7] Acier maraging 105 30 150 112 1,8
[8] Ti6Al4V 250 30 1 600 60 10,4
Pour la phase de construction laser, la référence [3], propose
comme vitesse de construction laser la formule (4) : Tableau 4 – Composition chimique de l’acier
maraging, données constructeurs [9]
Vconstruction laser = V Ev E c (4) Pourcentage massique
Acier maraging (%)
où Ev est l’écart vecteur et Ec l’épaisseur de couche.
min max
Connaissant le volume d’une pièce, il est alors possible d’esti-
mer le temps de la phase de construction laser avec la formule (5) : Fe Le reste
volume pièce Ni 17 19
t construction laser = (5)
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Vconstruction laser Co 8,5 9,5
Nous avons calculé, dans le tableau 3, pour différentes sources Mo 4,5 5,2
bibliographiques des vitesses de construction laser en fonction du
matériau et de la puissance laser utilisée. Ces vitesses sont don- Ti 0,6 0,8
nées à titre indicatif.
Al 0,05 0,15
Pour la phase de mise en couche, le temps est donné par le
nombre de couches nécessaires à la réalisation d’une fabrication et Cr 0,5
au temps d’une mise en couche (6) :
Cu 0,5
hauteur de construction C 0,03
tmise en couche = td’une mise en couche (6)
Ec
Mn 0,1
Si 0,1
Par exemple, pour une hauteur de construction de 300 mm avec
des épaisseurs de couches de 30 µm, il faut déposer 10 000 couches. P 0,01
Le temps nécessaire au dépôt d’une couche étant généralement
compris entre 5 et 10 s, il faut donc entre 14 et 28 h de mise en Si 0,01
couches.
résistance n’est pas uniquement due à leur teneur en carbone,
mais est liée à la présence de précipités intergranulaires. L’état
7. Matériaux mis en œuvre maraging est obtenu par un revenu après trempe. En fusion laser,
cet acier présente la composition chimique et les caractéristiques
mécaniques données par les tableaux 4 et 5 [9].
L’objet de ce chapitre est de dresser une liste non exhaustive
Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 19,8 cm3 · h–1
des matériaux mis en œuvre par fusion laser et commercialisés
pour des épaisseurs de couche de 50 µm avec un laser de 400 W.
par les constructeurs de machines. Il est tout à fait possible de
mettre en œuvre des matériaux identiques, mais dont la poudre
provient d’une autre source que le constructeur de machine.
7.2 Aciers inoxydables
Les aciers inoxydables les plus couramment mis en forme
7.1 Aciers maraging par fusion laser sont le 316L (X2CrNiMo17-12-02), le 17-4PH
(X5CrNiCuNb16-4) et le 15-5PH (X5CrNiCuNb16-4).
L’acier le plus utilisé en fusion laser est l’acier maraging
X3NiCoMo18-9-5 ou maraging 300. Il est notamment utilisé pour la L’acier inoxydable 316L est un acier austénitique qui présente
réalisation d’empreintes d’injection plastique. Les aciers maraging, une résistance chimique et des caractéristiques mécaniques éle-
c’est-à-dire à maturation de la martensite, sont des alliages qui vées. En fusion laser, il présente la composition chimique et les
présentent d’importantes duretés et résistances, en gardant une caractéristiques mécaniques données par les tableaux 6 et 7 [9].
bonne ductilité. Ces aciers se distinguent par le fait que leur Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm3 · h–1.
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Tableau 5 – Caractéristiques mécaniques en traction de l’acier maraging,
données standards et constructeurs [9]
Rm Rp0,2 A% E Dureté
Acier maraging
(MPa) (MPa) (%) (GPa) (HRC)
Forgé 1 170 à 1 000 6 à15 180 35
Mise en solution par recuit (1 h à 815 °C) puis
2 050 7 190 52
vieilli thermiquement (3 h à 480 °C)
EOS – XY 1100 ± 100 1050 ± 100 10 ± 4 160 ± 25 33 à 37
EOS – Z 1 10 ± 100 1 000 ± 100 10 ± 4 150 ± 20 33 à 37
EOS – traité thermiquement 490 °C – 6 h –
2 050 ± 100 1 990 ± 100 4±4 180 ± 20 50 à 56
refroidissement à l’air
SLM Solutions 1 015 ± 34 854 ± 50 10 ± 1 142 ± 43 32
composition chimique assure un bon compromis résistance/
Tableau 6 – Composition chimique de l’acier ductilité. Il présente une forte résistance à la rupture ainsi qu’une
inoxydable 316L, données constructeurs [9] bonne dureté jusqu’à des températures proches de 300 °C et une
Pourcentage massique bonne résistance à la corrosion. Il est possible d’optimiser ses pro-
(%) priétés mécaniques en utilisant des traitements thermiques variés.
316L En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéris-
min max tiques mécaniques données par les tableaux 8 et 9 [9].
Fe Le reste Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm3 · h–1
pour des épaisseurs de couche de 20 µm avec un laser de 200 W.
Cr 17 19
Le 15-5 PH est un acier inoxydable martensitique à durcissement
Ni 13 15
structural par le cuivre. Il possède une composition chimique réé-
Mo 2,25 3 quilibrée par rapport au 17-4 PH, qui lui assure une teneur mini-
male en ferrite delta proche de 0. La refusion permet d’atteindre
C 0,03 un niveau de propreté inclusionnaire supérieur, lui procurant ainsi
des caractéristiques optimales de ténacité et de ductilité. En fusion
Mn 2 laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques
Cu 0,5 mécaniques données par les tableaux 10 et 11 [9].
P 0,025 Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 11,5 cm3 · h–1
pour des épaisseurs de couche de 40 µm.
S 0,01
Si 0,75
Tableau 8 – Composition chimique de l’acier
N 0,1 inoxydable martensitique 17-4 PH,
données constructeurs [9]
Pourcentage massique
17-4 PH (%)
Tableau 7 – Caractéristiques mécaniques
en traction de l’acier inoxydable 316L, min max
normes et données constructeurs [9] Fe Le reste
Rm Rp0,2 A% E Cr 15 17,5
316L
(MPa) (MPa) (%) (GPa)
Ni 3 5
EOS – XY 640 ± 50 530 ± 60 40 ± 15 185
Cu 3 5
EOS – Z 540 ± 55 470 ± 90 50 ± 20 180
Mn 1
SLM Solutions 654 ± 49 550 ± 39 35 ± 4 169 ± 31
Si 1
Mo 0,5
Le 17-4 PH est un acier inoxydable martensitique à durcissement
structural. Il se transforme complètement en martensite à partir de Nb 0,15 0,45
traitement d’austénitisation. Le durcissement par précipitation de cet
acier inoxydable est obtenu par vieillissement entre 400 et 500 °C. Sa C 0,07
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Tableau 9 – Caractéristiques mécaniques en traction de l’acier inoxydable martensitique 17-4 PH,
normes et données constructeurs [9]
Rm Rp0,2 A% E
17-4 PH
(MPa) (MPa) (%) (GPa)
Aubert et Duval – hyper trempé ou mis en 1 070 1 000 10 200
solution + vieillissement à 550 °C – 4 h
EOS – XY 930 ± 50 586 ± 50 31 ± 5 170 ± 30
mini 850 mini 530 mini 25
EOS – Z 960 ± 50 570 ± 50 35 ± 5 170 ± 30
mini 850 mini 530 mini 25
EOS – XY – traité thermiquement 600 °C – 1 h 1 100 590 29 180
EOS – Z – traité thermiquement 600 °C – 1 h 980 550 31 180
Tableau 10 – Composition chimique 7.3 Supers alliages
de l’acier 15-5 PH, données constructeurs [9]
Les supers alliages à base nickel les plus couramment mis en
Pourcentage massique forme par fusion laser sont l’inconel 625 (NiCr22Mo9Nb), l’inconel
15-5 PH (%) 718 (NiCr19Fe19Nb5Mo3) et l’hastelloy X (NiCr22Fe18Mo).
min max L’inconel 625 est un alliage qui se caractérise par une bonne
résistance à la traction, à la fatigue, au fluage et qui présente une
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Fe Le reste bonne tenue à la corrosion. En fusion laser, il présente la
composition chimique et les caractéristiques mécaniques données
Cr 14 15,5 par les tableaux 12 et 13 [9].
Ni 3,5 5,5 Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm3 · h–1.
Cu 2,5 4,5 L’inconel 718 est un alliage à durcissement par précipitation qui
se caractérise par une bonne résistance à la traction, à la fatigue et
Mn 1 au fluage pour des températures allant jusqu’à 700 °C. En fusion
laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques
Si 1
mécaniques données par les tableaux 14 et 15 [9].
Mo 0,5
Nb 0,15 0,45 Tableau 12 – Composition chimique
de l’inconel 625, données constructeurs [9]
C 0,07
Pourcentage massique
Inconel 625 (%)
min max
Tableau 11 – Caractéristiques mécaniques Ni 58 Le reste
en traction de l’acier 15-5 PH,
Cr 20 23
normes et données constructeurs [9]
Mo 8 10
Rm Rp0,2 A%
15-5 PH Nb 3,15 4,15
(MPa) (MPa) (%)
Aubert et Duval – Fe 5
hyper trempé ou mis Ti 0,4
1 120 1 060 15
en solution + vieillis-
sement à 550 °C – 4 h Al 0,4
EOS – XY 1 150 ± 50 1 050 ± 50 16 ± 4 Co 1
C 1
EOS – Z 1 050 ± 50 1 000 ± 50 17 ± 4
Ta 0,05
EOS – XY – traité 1 450 ± 100 1 300 ± 100 12 ± 2
thermiquement mini 1 310 mini 1 170 mini 10 Si 0,5
EOS – Z – traité 1 450 ± 100 1 300 ± 100 12 ± 2 Mn 0,5
thermiquement mini 1 310 mini 1 170 mini 10 P 0,015
SLM Solutions 1 100 ± 50 1 025 ± 25 16 ± 4 S 0,015
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Tableau 13 – Caractéristiques mécaniques en traction de l’inconel 625,
normes et données constructeurs [9]
Inconel 625 Rm Rp0,2 A% E
(MPa) (MPa) (%) (GPa)
Aubert et Duval – hyper
trempé ou mis en solu- 850 450 40 206
tion + vieillissement
EOS – XY 990 ± 50 725 ± 50 35 ± 5 170 ± 20
EOS – Z 900 ± 50 615 ± 50 42 ± 5 140 ± 20
EOS – XY – traité thermi- 1 040 ± 100 720 ± 100 35 ± 5
170 ± 20
quement 870 °C – 1 h mini 827 mini 414 mini 30
EOS – Z – traité thermi- 930 ± 100 650 ± 100 44 ± 5
160 ± 20
quement 870 °C – 1 h mini 827 mini 414 mini 30
SLM Solutions 961 ± 41 707 ± 41 33 ± 2 182 ± 9
présente la composition chimique et les caractéristiques méca-
Tableau 14 – Composition chimique niques données par les tableaux 18 et 19 [9].
de l’inconel 718, données constructeurs [9]
Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 19,8 cm3 · h–1
Pourcentage massique pour des épaisseurs de couche de 50 µm avec un laser de 400 W.
Inconel 718 (%)
Il existe également une version d’alliage de cobalt chrome spéci-
min max fique pour les applications dentaires.
Fe Le reste
Ni 50 55 7.5 Alliages de titane
Cr 17 21
L’alliage de titane le plus utilisé en fusion laser est le TiAl6V. Cet
Nb 4,75 5,5 alliage de titane présente une bonne résistance à la fatigue, à la
propagation des criques, à la corrosion et au fluage jusqu’à 300 °C.
Mo 2,8 3,3
En fusion laser, il présente la composition chimique et les caracté-
Ti 0,65 1,15 ristiques mécaniques données par les tableaux 20 et 21 [9].
Al 0,6 0,8 Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 32,4 cm3 · h–1
pour des épaisseurs de couche de 60 µm avec un laser de 400 W.
Co 1
La tenue en fatigue est fortement influencée par un traitement
Cu 0,3 de compression isostatique à chaud à 900 °C sous 1 000 bars de
C 0,08 pression pendant 2 h d’après [10] (figure 20). Elle est de l’ordre de
750 MPa à 1 million de cycles.
Si 0,35
Il est à noter que cet alliage de TiAl6V existe en version ELI, où
Mn 0,35 le taux d’oxygène y est plus faible. Nous trouvons également du
P 0,015 TiAl6Nb7 et du titane pur.
S 0,015
B 0,006 7.6 Alliages d’aluminium
Les alliages d’aluminium mis en forme par fusion laser sont
exclusivement des alliages dits de fonderie contenant du silicium.
Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 14,4 cm3 · h–1
L’alliage d’aluminium le plus utilisé est l’AlSi10Mg qui est un
avec un laser de 400 W.
alliage classique de fonderie. Avec un taux de silicium proche de
L’hastelloy X est un alliage qui se caractérise par une haute l’eutectique, il possède une bonne coulabilité. Après mise en
résistance mécanique et à l’oxydation pour des températures œuvre par fusion laser, ses caractéristiques mécaniques en trac-
allant jusqu’à 1 200 °C. En fusion laser, il présente la composition tion sont bien plus élevées que celles obtenues par fonderie
chimique et les caractéristiques mécaniques données par les coquille. Selon la norme NF EN 1706:2010 (F), à l’état T6 par
tableaux 16 et 17 [9]. exemple, sa résistance Rm doit être d’au moins 260 MPa alors qu’il
Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm3 · h–1. est voisin de 400 par fusion laser. En fusion laser, cet alliage d’alu-
minium présente la composition chimique et les caractéristiques
mécaniques données par les tableaux 22 et 23 [9].
7.4 Cobalt chrome Ces caractéristiques mécaniques élevées s’expliquent par la
finesse de la structure métallurgique. En structure brut de fusion
L’alliage de cobalt chrome mis en forme par fusion laser est le laser, les intervalles inter-dendritiques sont de moins de 1 µm
CoCrMo dont la composition est conforme à la norme américaine alors qu’ils sont de l’ordre de 20 µm pour une fonderie en coquille
ASTM F75. de qualité. Cette faible taille est due à l’évolution thermique rapide
Cet alliage de cobalt chrome présente une résistance à la corro- lors du procédé avec des montées et des descentes en tempéra-
sion et des caractéristiques mécaniques élevées. En fusion laser, il ture de l’ordre de 105 à 106 °C · s–1 (figure 21 et [11]).
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