Mise en oeuvre d'un alliage d'aluminium par fabrication additive (SLM)

par Akash Sonawane

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jean-Jacques Blandin, Guilhem Martin et de Guilhem Roux.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 07-12-2017 .


  • Résumé

    Le CEA-LITEN développe, en partenariat avec des industriels, de nouveaux alliages métalliques par fabrication additive. Ce procédé de fabrication est une véritable révolution industrielle puisqu'il permet de réaliser de petites et moyennes séries de pièces de grande complexité sans utiliser de moule et avec une vitesse de développement accrue. Les technologies de construction des pièces étudiées dans le cadre de cette thèse sont la fusion laser sur lit de poudre (SLM, Selective Laser Melting, disponible au LITEN) et la fusion de faisceau d'électrons (EBM, Electron Beam Melting, disponible à Grenoble INP). Ces technologies consistent à empiler des lits de poudres et à les fondre au moyen d'un laser ou faisceau d'électron aux emplacements prédéfinis par un fichier CAO. Si de nombreux matériaux sont utilisés aujourd'hui en SLM et EBM avec succès, les composants en alliage d'aluminium représentent un marché encore peu développé, alors qu'un besoin réel existe pour des pièces structurelles pour le marché de la micromécanique ou encore de l'aéronautique. Aujourd'hui, les alliages d'aluminium pour la fabrication additive font l'objet de beaucoup d'études, en particulier les alliages AlSi12, AlSi10Mg, Al6061 ou encore Al7075. Dans le cas du SLM, la problématique du process de ces alliages d'aluminium vient de leur faible absorption au laser ainsi que de la formation de film d'oxyde entrainant une mauvaise mouillabilité du bain sur la poudre. La seule solution aujourd'hui est de travailler avec de fortes densités d'énergie, ou, comme étudié actuellement au CEA, utiliser des poudres fonctionnalisées. Si son utilisation se concentre aujourd'hui sur les alliages de titane l'utilisation d'un faisceau d'électron (EBM), de par sa mise en oeuvre et sa nature, pourrait permettre d'éviter ces problématiques d'oxydation et de réflexion de la source de chaleur sur les alliages d'aluminium. Le but de cette thèse est d'étudier conjointement la mise en oeuvre et les propriétés mécaniques d'un alliage d'aluminium de la famille 6000 par SLM et EBM. La première partie du travail consistera à optimiser les paramètres du process SLM et EBM, en ayant au préalable réalisé les analyses des poudres utilisées. Des plans d'expérience process seront proposés et réalisés au CEA et au SIMAP et les matériaux élaborés seront analysés afin de proposer des paramètres optimisés pour chacun des process. Des traitements thermiques post élaboration pourront éventuellement être réalisés. La seconde partie de la thèse sera consacrée à l'analyse métallurgique (µ- tomographie X, tailles de grain, cartes EBSD, analyses RX¬) et mécanique des échantillons réalisés en conditions optimales, en particulier leur porosité et anisotropie. Des analyses RX de contraintes résiduelles pourront également être conduites. Des essais mécaniques seront réalisés afin d'estimer les propriétés mécaniques issues des deux procédés d'impression 3D

  • Titre traduit

    Structural Aluminum alloy processed by Laser Beam Melting (LBM): a fundamental understanding of hot cracking.


  • Résumé

    CEA-LITEN develops, in partnership with manufacturers, new metal alloys by additive manufacturing. This manufacturing process is a real industrial revolution since it allows small and medium series of highly complex parts to be produced without the use of a mold and with an increased speed of development. The construction technologies of the pieces studied in this thesis are SLM (Selective Laser Melting, available at LITEN) and Electron Beam Melting (EBM), available in Grenoble. INP). These technologies consist of stacking powder beds and melting them with a laser or electron beam at the predefined locations by a CAD file. Although many materials are used today in SLM and EBM with success, aluminum alloy components represent a still undeveloped market, whereas a real need exists for structural parts for the micromechanical market or even for aeronautics. Today, aluminum alloys for additive manufacturing are the subject of many studies, especially alloys AlSi12, AlSi10Mg, Al6061 or Al7075. In the case of the SLM, the problem of the process of these aluminum alloys comes from their low laser absorption as well as the formation of oxide film resulting in poor wettability of the bath on the powder. The only solution today is to work with high energy densities, or, as currently studied at the CEA, use functionalized powders. If its use today focuses on titanium alloys, the use of an electron beam (EBM), by its implementation and its nature, could avoid these problems of oxidation and reflection of the heat source on the aluminum alloys. The aim of this thesis is to study jointly the implementation and the mechanical properties of an aluminum alloy of the 6000 family by SLM and EBM. The first part of the work will consist of optimizing the parameters of the SLM and EBM process, having previously performed the analysis of the powders used. Process experience plans will be proposed and carried out at CEA and SIMAP and the materials developed will be analyzed in order to propose optimized parameters for each process. Post-process heat treatments may be carried out. The second part of the thesis will be devoted to metallurgical analysis (X tomography, grain size, EBSD maps, X-ray analysis, ...) and mechanics of the samples made in optimal conditions, in particular their porosity and anisotropy. X-ray residual stress analyzes may also be conducted. Mechanical tests will be carried out to estimate the mechanical properties resulting from the two 3D printing processes