Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...

 
Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
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 - Cetim ...
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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                     Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
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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
         Parution : février 2016 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        – 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.

                                                                                                                                                                     BM 7 900 – 2                                                                 Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

tiwekacontentpdf_bm7900                                                                                                                                                                                                                                                          Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
_______________________________________________________________________________ FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES

                          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)

                                            Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés                                                                                                   BM 7 900 – 3

                                                      Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
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                                                                                                                                                                     FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES _______________________________________________________________________________

                                                                                                                                                                        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)
         Parution : février 2016 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                     Figure 6 – Cotyles personnalisés avec structure lattice en surface (© Mobelife)

                                                                                                                                                                     Figure 7 – Exemples de pièces aéronautiques issues d’optimisation topologique

                                                                                                                                                                     BM 7 900 – 4                                 Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

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Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
_______________________________________________________________________________ FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES

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]

                                             Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés                                                                                                 BM 7 900 – 5

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                                                                                                                                                                     FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES _______________________________________________________________________________

                                                                                                                                                                                                                                   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
         Parution : février 2016 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    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]

                                                                                                                                                                     BM 7 900 – 6                                                                              Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

tiwekacontentpdf_bm7900                                                                                                                                                                                                                                                                       Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
_______________________________________________________________________________ FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES

                                                                                                                                                           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)

                                               Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés                                                                                                  BM 7 900 – 7

                                                         Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                     FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES _______________________________________________________________________________

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          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.
         Parution : février 2016 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                                                                                                                                                    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.

                                                                                                                                                                     BM 7 900 – 8                                                              Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

tiwekacontentpdf_bm7900                                                                                                                                                                                                                                                       Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques - Cetim ...
_______________________________________________________________________________ FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES

                           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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                                                                 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
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                                                                                                                                                                     FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES _______________________________________________________________________________

                                                                                                                                                                                                                               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)
         Parution : février 2016 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                                                                                               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.

                                                                                                                                                                     BM 7 900 – 10                                                                            Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

tiwekacontentpdf_bm7900                                                                                                                                                                                                                                                                      Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
_______________________________________________________________________________ FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES

                    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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                                                         Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
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                                                                                                                                                                     FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES _______________________________________________________________________________

                                                                                                                                                                                    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
         Parution : février 2016 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120

                                                                                                                                                                                                               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

                                                                                                                                                                     BM 7 900 – 12                                                             Copyright © – Techniques de l’Ingénieur – Tous droits réservés

tiwekacontentpdf_bm7900                                                                                                                                                                                                                                                       Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
_______________________________________________________________________________ FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES

                         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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                                                             Ce document a ete delivre pour le compte de 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120
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