Compréhension de la formation de porosités en fabrication additive (LBM). Analyse expérimentale de l’interaction laser – lit de poudre – bain liquide.

Study of the porosity formation by the additive manufacturing (LBM). Experimental analysis of laser - powder bed - melt pool interaction.

• Auteur / Autrice : Valérie Gunenthiram
• Direction : Patrice Peyre, Matthieu Schneider, Morgan Dal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 06/07/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux [Paris]
• Jury : Président / Présidente : Rémy Dendievel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre, Matthieu Schneider, Morgan Dal, Sophie Costil, Christophe Colin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rodolphe Bolot, Cyril Bordreuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier inoxydable

Fusion (métallurgie)

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Fusion

Poudre

Laser

Porosité

Acier inoxydable

Additive manufacturing

Fusion

Powder

Laser

Porosity

Stainless steel

Résumé

Le procédé de fusion sélective « lit de poudre » (SLM) permet d'élaborer des pièces métalliques bonne matière (denses) directement à partir de la fusion de couches de poudres successives. De nombreux problèmes techniques doivent encore être surmontés pour faire du SLM un processus de fabrication entièrement viable. C'est le cas de l’état de surface et de l'apparition systématique de porosités, qui nécessitent des étapes de post-traitements. Jusqu'à présent, l'origine de la porosité reste incertaine mais est supposée être liée à la stabilité du procédé. Cette thèse propose une étude originale de l'interaction laser-poudre-bain liquide sur 316L et sur deux alliages d’aluminium (5086 et 4047) avant d’étudier les conditions de densification de la matière. Le travail de cette thèse s’articule en deux parties. Dans la première partie, une étude expérimentale de l’interaction laser-matière a été effectuée sur un banc instrumenté à partir d’imagerie par caméra rapide (>10 000 images /s). Les conditions de formation des éjections métalliques, de dénudation en poudre, l’hydrodynamique des zones fondues (dont le humping) ont été caractérisées et quantifiées. Tous ces phénomènes sont liés aux fortes densités de puissance utilisées en SLM, qui favorisent le régime de keyhole et la vaporisation. La deuxième partie de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’origine et le taux de porosités sur une machine SLM. Une formulation analytique de la densification, dépendante d’un paramètre énergétique VED, a été validée par une étude expérimentale de l’évolution du taux de porosité, quelle que soit l’épaisseur de poudre. Un premier lien a été réalisé entre les dimensions des cordons de fusion et les conditions de densification. Enfin, une forte interaction (diffusion de Rayleigh ou absorption) a été observée entre le faisceau laser incident et les nanoparticules contenues dans la colonne de vapeur métallique, à l’origine de la dispersion importante des profondeurs de fusion.

The selective laser melting (SLM) process allows to produce dense metal parts directly from the melting of successive powder layers. However, many technical issues are still to overcome for making SLM a fully viable manufacturing process. This is the case of surface finishing and the systematic occurrence of porosities, which require post machining steps. Up till now, the origin of porosities remains unclear but is expected to be related to the stability of the process. This thesis proposes an original study of the laser-powder-melt pool interaction on 316 L and on two aluminum alloys (5086 and 4047) before studying the material’s densification conditions. The work is structured in two parts. In the first part, an experimental study of the laser-matter interaction has been carried out on an instrumented SLM setup equipped with a fast camera (>10 000 images /s). The conditions of formation of metal ejections, denudation and hydrodynamics of melt pool (including humping) have been characterized and quantified. All these phenomena are related to the high power densities used in SLM, which favor keyhole regime and vaporization. The aim of the second part of this work was to characterize the origin and the porosity fraction on an SLM machine. A first correlation has been made between the dimensions of the fusion beads and the densification conditions. A strong interaction (Rayleigh scattering or absorption) has been observed between the incident laser beam and the nanoparticles contained in the metal vapor column: this interaction is responsible for the significant dispersion of melting depths.