Caractérisation in situ par imagerie proche infrarouge en fabrication additive fusion sur lit de poudre par faisceau d'électrons

In-situ process monitoring of Electron beam Powder Bed Fusion using near-infrared imaging

• Auteur / Autrice : Guillaume Croset
• Direction : Rémy Dendievel, Guilhem Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 11/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Chaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Colin, Ludovic Ropars
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Buffière, Patrice Peyre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (E-PBF)

Caractérisation in situ

Imagerie proche infrarouge

Additive manufacturing

Electron beam Powder Bed Fusion (E-PBF)

In-Situ monitoring

Near-Infrared imaging

Résumé

Le procédé de fabrication additive par fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (E-PBF) permet la réalisation de pièces métalliques par fusion sélective de couches successives. Il peut cependant générer des défauts dans les pièces fabriquées. Afin d’améliorer la fiabilité de ce procédé, le besoin de contrôles in situ (pendant la fabrication) est devenu une exigence forte. L’objectif de ce travail est de mettre en place des stratégies de suivi in situ de la fabrication additive E-PBF. L’outil sélectionné est une caméra proche infrarouge (NIR) permettant d’obtenir des images des pièces en cours de fabrication. Un dispositif expérimental permettant de réaliser les acquisitions à l’aide d’une caméra proche infrarouge de façon automatisée a été mis en place en prenant en compte l’environnement contraignant (haute température, vide, dépôt de métal sur les parois). Deux stratégies de contrôle sont proposées. La première vise à prendre une image de chaque couche fabriquée, en l’occurrence à l’issue de l’étape de fusion. Des routines d’analyse d’images ont été développées et permettent d’identifier et de localiser les défauts (distorsions géométriques, porosités) à partir de leur signature thermique sur les images NIR. Une méthode de contrôle non destructif (tomographie aux rayons X) permet de valider la détection des défauts internes. La seconde stratégie de caractérisation consiste à réaliser l’acquisition d’images en continu afin d’analyser l’évolution temporelle des niveaux de gris, cette dernière apportant des informations reliées aux changements de température. Une méthodologie permettant de détecter, voire d’anticiper certains défauts liés à l’apport d’énergie délivrée par le faisceau d’électrons est proposée. Les deux stratégies de caractérisation doivent permettre de repérer les défauts au plus vite afin de mettre en place une action corrective dans la cadre d’un futur contrôle du procédé par une boucle fermée.

Electron beam Powder Bed Fusion (E-PBF) is an additive manufacturing process that allows metallic parts to be built by selectively melting successive layers of powder. However, this process can generate defects in the fabricated parts. To improve the reliability of this process, there is a need to develop in-situ monitoring imaging techniques. The main objective of this work is to set up strategies to characterize in-situ the E-PBF process. The selected tool is a near-infrared (NIR) camera employed to obtain images of the parts being manufactured. The first part of the work has been dedicated to setting up an experimental device allowing to acquire near-infrared images in an automated way and by taking into account the constrained environment of E-PBF (high temperature, vacuum, metal deposit on the walls). Two strategies of in-situ monitoring of E-PBF are suggested. The first one aims at taking one image per layer, just after the melting stage. Image analysis routines were developed and allow to identify and determine the spatial distribution of the defects (geometrical distortions, porosity) from their thermal signatures on the NIR-images. The detection of internal defects is validated with a non-destructive characterization (X-rays computed tomography). The second strategy consists of carrying out continuous image acquisition to analyze the temporal evolution of the grey level which is directly related to temperature changes. A methodology allowing to detect, even to anticipate given defects related to the energy delivered by the electron beam has been proposed. Those two approaches should allow the defects to be identified as quickly as possible to apply a correction within the framework of future closed-loop process control.