Mise au point de conducteurs électriques en cuivre par le procédé de fusion sélective par faisceau d’électrons (E-PBF)

Development of Copper electrical conductors by Electron Powder Bed Fusion process (E-PBF)

• Auteur / Autrice : Alizée Thomas
• Direction : Jean-Jacques Blandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 15/03/2021
• 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 : Luc Salvo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Blandin, Patrice Peyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brigitte Bacroix, Stéphane Godet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Fours à bombardement d'électrons

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Electron Beam Melting

Cuivre

Additive Manufacturing

Electron Beam Melting

Copper

Résumé

Le cuivre pur est un matériau très souvent utilisé pour les conducteurs électriques du fait de son excellente conductivité électrique (entre 95 et 100\%IACS selon l'état métallurgique). Les technologies de fabrication additive suscitent aujourd’hui un très fort intérêt, en apparaissant comme une alternative aux approches conventionnelles de fabrication « soustractive ». Elles permettent notamment des gains de temps pour le développement de pièces prototypes, et offrent des libertés nouvelles dans le design de pièces, permettant ainsi d’améliorer leurs performances.Dans ce travail, la technologie E-PBF (Electron Powder Bed Fusion ou E-PBF) a été privilégiée car elle permet notamment d'éviter la problématique de la réflectivité du cuivre au laser. Le cuivre a des conductivités électriques et thermiques très élevées, ce qui rend sa fusion particulière et ce qui implique d'adapter les paramètres du procédé pour fabriquer des pièces en cuivre par E-PBF.Afin d’identifier les conditions de consolidation requises lors du préchauffage de chaque couche de poudre, une étude préliminaire est réalisée par dilatométrie. Une chambre de construction miniaturisée a été développée pour réduire la consommation de poudre utilisée lors des constructions. Une fenêtre procédé est ensuite identifiée à l’aide de plans d’expériences permettant de générer des échantillons en cuivre d'une densité relative supérieure à 99.9\% sans fissures. Des éprouvettes spécifiques avec des orientations de construction différentes sont réalisées afin d’évaluer les propriétés mécaniques et électriques. Des propriétés comparables à celles d'un cuivre pur recuit sont obtenues, tant d'un point de vue électrique (100\%IACS) que mécanique. Enfin, le concept de "métallurgie numérique" par E-PBF est mis en œuvre dans le cadre du cuivre. En effet, en contrôlant les paramètres du procédé et la forme du bain de fusion résultant, la microstructure peut être ajustée.Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet FUI AMbition, soutenu par la BPI et les régions Auvergne-Rhône-Alpes et Ile-de-France.

Electrical conductors are usually made of pure copper because of its outstanding electrical conductivity (from 95 to 100\%IACS, depending on work hardening level). Additive manufacturing can be used to further improve the performances of electrical conductors because it enables to consider sophisticated geometries impossible to be fabricated by conventional processing routes such as casting or machining. In this work, the E-PBF (Electron Powder Bed Fusion or E-PBF) technology was chosen to avoid the problem of reflectivity of copper with conventional laser. Copper exhibits very high electrical and thermal conductivities, which requires specific melting conditions and adaptation of the process parameters.A preliminary study consisting in identifying the conditions to achieve the required degree of powder consolidation to process pure copper has been conducted, to adjust the preheating conditions. A miniaturized building chamber has been custom-designed and used to limit the amount of powder required for a build.A design of experiment is carried out using this miniaturized chamber on high purity copper powder to identify the processing window. It allows to build samples with a density higher than 99.9% and without cracks. Specific specimens are built with different orientations in order to measure the volume electrical conductivity using the 4 probes method and to determine the mechanical properties. Properties comparable to those of annealed pure copper are obtained, both electrically (100 %IACS) and mechanically. Moreover, copper is taken as a model material to introduce the concept of "digital metallurgy". Indeed, by controlling the process parameters and the shape of the resulting melt pool, the microstructure can be tuned.This work was carried out as part of the FUI AMbition project, supported by the BPI and the regions of Auvergne-Rhône-Alpes and Ile-de-France.