Influence de l'environnement de travail en fabrication additive "lit de poudre

par Socona Traore

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Patrice Peyre, Matthieu Schneider et de Imade Koutiri.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux (laboratoire) et de École nationale supérieure d'arts et métiers (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2017 .


  • Résumé

    Influence de l’environnement de travail en fabrication additive « lit de poudre » La Fabrication Additive (FA), regroupe un ensemble de technologies qui permettent de fabriquer des pièces métalliques ou plastiques par ajouts successifs de couches de matériau de faibles épaisseurs, généralement à l’état de poudres. Au sein des technologies de FA métallique, la fusion sélective « lit de poudre (SLM) » fait l'objet du plus fort engouement industriel, en raison de la grande complexité des pièces réalisables. Elle est basée sur le balayage à grande vitesse (0.5-1 m/s) d'un lit de poudre, grâce à un laser couplé à une tête scanner. Dans des conditions paramétriques optimisées, le procédé fabrique alors de la matière quasiment dense et de rugosité moyenne mais avec une forte dépendance à la nature du matériau utilisé, à ses propriétés à l'état liquide, à l'état de la poudre (granulométrie) et à l'atmosphère de travail (gaz protecteur, taux d'O2 résiduel …). Aujourd'hui, l'optimisation des paramètres se fait essentiellement par analyse de compacité des pièces fabriquées, sans étude précise des conditions d'interaction laser poudre- zone fondue (ZF). Pourtant, différentes études récentes ont montré que le procédé SLM présentait des instabilités à l'échelle des ZF (éjections de métal liquide, oscillations des ZF, phénomènes de dépeuplement de poudre à proximité des cordons) qui dégradent la qualité des lits de poudre et l'état métallurgique des matériaux. Parmi les paramètres influents, l'influence de l'environnement gazeux ou de la pression de l'atmosphère de travail sur la stabilité du procédé n'a été que très peu étudiée en SLM. Le but de cette thèse est à la fois: 1. de caractériser et comprendre les phénomènes d’interactions laser/lit de poudre/zone fondue/environnement gazeux qui interviennent lors de la fusion sélective du matériau (spatters, nanoparticules/fumées) dans différents environnements gazeux, 2. d'identifier leur influence sur l'état résiduel des matériaux fabriqués (% porosités) et sur la matière environnante non-fusionnée (contamination du lit de poudre environnant) 3. d'évaluer l'influence de l'environnement de travail sur le comportement (température, hydrodynamique) des matériaux fondus via l'évolution des propriétés thermo-physiques associées (tensions de surface, viscosité) Pour cela, des expériences seront réalisées dans différentes atmosphères de travail (gaz purs, mélanges de gaz, pression d'enceinte variable …) sur des bancs et des enceintes instrumentées dédiées permettant d'avoir le maximum de liberté dans la réalisation d'expériences in-situ (analyses par camera rapide ou caméra thermique, mesures de réflectivité …). Des validations sur machines industrielles seront également réalisées, le but final étant de contribuer à une évolution des conditions expérimentales du procédé SLM et de son environnement gazeux via une meilleure compréhension de la physique associée. Le travail de thèse sera réalisé dans le cadre d'une collaboration entre AIR LIQUIDE et le laboratoire PIMM (Groupe Laser) de l'ENSAM- Paris.

  • Titre traduit

    Influence of working environment on "powder bed" additive manufacturing


  • Résumé

    Influence of working environment on “powder bed” additive manufacturing Additive manufacturing (AM) gathers several physical processes to create metal or plastic objects by successive addition of thin material layers. Among these techniques, Selective Laser Melting (SLM) is highly valued by industries because of the ability to create very complex objects. It is based on a high speed laser scanning (0.5 – 1 m/s) of a powder bed. Under enhanced conditions, the process creates dense matter with a medium roughness. But it is very dependent on the material nature, its liquid state properties, its powder state parameters (grain size) and on the working atmosphere (gas, 02 rates…). Today, the parameters are only optimized after density analysis of the objects without studying the - laser/powder/melted pool - interaction parameters. However, several studies shows that the SLM process was unstable near the melted pool (liquid metal ejection, melted area fluctuations…) which damage the powder bed quality and the metallurgical state of materials. So far, the influence of the gaseous environment or the work atmosphere on the SLM process stability has been hardly studied. The aim of this thesis is to: 1. Characterize and understand interactions between – laser / powder bed / melted pool / gaseous environment – during the selective melting of materials (spatters, nanoparticles, fumes) in various gaseous environments. 2. Identify their influence on the final state of the manufactured objects (porosity rate) and on the non-melted matter (pollution of the surrounding powder bed) 3. Asses the influence of the work environment on the behavior (temperature, hydrodynamics) of the melted matter by following the evolution of thermophysical properties (surface tension, viscosity) To this end, experiments will be conducted in various work atmospheres (pure gas, mixture of gases, variable pressure…) on testbeds and instrumented chambers in order to allow numerous in-situ experiments (high speed camera analysis, thermal camera, reflectivity measurement…). Validation on industrial machinery will also be conducted, given that the final objective is to contribute to the evolution of experimental conditions of the SLM process and its gaseous environment achieved with a better understanding of the related physic. This work will be conducted in the context of a collaboration between AIR LIQUIDE and the PIMM laboratory (LASER group) of ENSAM Paris.