Fusion laser de poudres métalliques : Maîtrise du procédé pour la fabrication directe de pièces mécaniques

Laser melting of metal powders: mastering of the process for direct manufacture of mechanical parts.

• Auteur / Autrice : Maria Averyanova
• Direction : Philippe Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne ; 1961-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Essais

Procédés de fabrication

Lasers -- Matériaux

Métallurgie des poudres

Résumé

The study conducted in the frame of this thesis focuses on mastering of the process of Selective Laser Melting (SLM) throughout the production line: from the selection of the initial metal powder till the final control of properties (mechanical, microstructure, etc. . ). Selective Laser Melting is a complex innovative manufacturing process that requires multidisciplinary knowledge in the field of Powder Metallurgy, Process Engineering, Mechanics, Optics / Photonics, etc. From a scientific point of view, it is therefore necessary to adjust and optimize a large number of input process parameters, such as characteristics of the powder material, the machine parameters, etc. , to target a set of output parameters, to identify the influence of these input parameters and to rank them. Firstly, the influence of the nature of the powder (for 2 families of materials: 17-4 PH martensitic stainless steel and Co-Cr alloy) and its properties on the SLM process and final parts quality has been studied. Applying a material with complex metallurgy, stainless steel 17-4PH, the impact of powder key chemical elements on the properties and microstructure of the final 3D part manufactured by SLM was shown. The powder properties that encourage the manufacture of dense parts were found and formulated. Secondly, according to the inherent difficulty of many parameters affecting the process, a parametric search based on the use of methods of design of experiments was performed. A link between the geometry of the weld track and function issued from the physical parameters of the process, compared to operating parameters, was identified. Thus, a stability criterion of the weld track has been proposed. It lets us to determine quickly the optimal process parameters window, and in the case of the objective function chosen in this work, namely a maximum density, it can make 3D objects with a porosity rate below 1%. The values of mechanical properties of tensile specimens of 17-4 PH powder manufactured by SLM are the same order of magnitude as the wrought material 17-4 PH elaborated by conventional methods. Finally, it was shown that using an appropriate heat treatment the microstructure can be homogenized and mechanical properties can be improved. This work led ultimately to complete the industrialization of SLM process in two specific cases: the manufacture of dental bridges and of extrusion dies.

L’étude réalisée dans le cadre de cette thèse porte sur la maitrise du procédé de Fusion Sélective par Laser (Selective Laser Melting -SLM) sur toute la chaine de fabrication : de la sélection de la poudre métallique au contrôle final des propriétés (mécaniques, microstructurales, etc. ) des pièces élaborées. La Fusion Sélective par Laser est un procédé de fabrication innovant et complexe qui demande des connaissances pluridisciplinaires, dans le domaine de la Métallurgie des Poudres, du Génie des Procédés, de la Mécanique, de l’optique/photonique, etc. D’un point de vue scientifique, il convient donc d’ajuster et optimiser un grand nombre de paramètres opératoires d’entrées, tels les caractéristiques du matériau sous forme de poudre, les paramètres machines, etc. , pour viser un ensemble de paramètres de sorties, afin de cerner l’influence de ces paramètres d’entrées et les hiérarchiser. Dans un premier temps, l’influence de la nature de la poudre (pour 2 familles de matériaux : acier martensitique 17-4 PH et alliage Co-Cr) et de ses propriétés sur le procédé SLM et la qualité finale des pièces a été étudié. Sur la base d’un matériau à métallurgie complexe, l’acier 17-4PH, l’impact des éléments chimiques clés de la poudre sur les propriétés et la microstructure finale des pièces élaborées par SLM a été montré. Les propriétés de la poudre qui favorisent la fabrication de pièces denses ont été trouvées et formulées. Dans un deuxième temps, devant la difficulté inhérente au grand nombre de paramètres influant sur le procédé, une recherche paramétrique, basée sur l’utilisation des méthodes de plan d’expériences, a été effectuée. Un lien entre la géométrie du cordon de fusion et une fonction issue de paramètres physiques du procédé, par rapport aux paramètres opératoires, a été identifié. Ainsi, un critère de stabilité du cordon a été proposé. Il permet de trouver rapidement la fenêtre paramétrique optimale, et dans le cas de la fonction objectif choisi dans ce travail, à savoir une densité maximale, il permet de fabriquer des objets 3D denses ayant un taux de porosité inférieur à 1%. Les valeurs des propriétés mécaniques des éprouvettes de traction du matériau 17-4 PH élaborées par SLM sont du même ordre de grandeur que le matériau 17-4 PH brut fabriqué par méthodes traditionnelles. Enfin, il a été montré que l’utilisation d’un traitement thermique approprié permet d’homogénéiser la microstructure, d’augmenter la dureté et, par conséquent, la résistance mécanique. Ces travaux ont permis in fine de mener à bien l’industrialisation du procédé sur deux cas concrets : la fabrication de bridges dentaires et celle d’une filière d’extrusion.