Recyclage de la poudre d'acier inoxydable 316L en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre : analyse, suivi et limitation de la dégradation de la poudre

Powder recycling in laser powder bed fusion of stainless steel 316L : analysis, monitoring and minimization of powder degradation

• Auteur / Autrice : Timothée Delacroix
• Direction : Jean-Paul Garandet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie,génie civil,
• Date : Soutenance le 21/11/2022
• 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 : Laboratoire d’Ingéniérie des Surfaces et Lasers (Saclay)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Missiaen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Helbert, Rémi Giraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eduard Hryha, Marc Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recyclage

Poudres métalliques

Mots clés libres

Fusion laser sur lit de poudre

Poudres métalliques

Recyclage

Caractérisation

Monitoring

Acier inoxydable 316L

Laser powder bed fusion

Metallic powders

Recycling

Characterization

Monitoring

Stainless steel 316L

Résumé

La fabrication additive (FA) métallique à base de poudre s'est imposée comme une technologie compétitive alternative aux procédés métallurgiques classiques tels que la fonderie ou le forgeage pour la production de pièces utilisées dans différents secteurs industriels comme l'aérospatial, l'automobile, le biomédical ou les énergies. Ce succès est attribué aux possibilités de conception presque illimitées pour la fabrication de composants proche des cotes avec d'excellentes propriétés mécaniques. En outre, l'un des principaux avantages des technologies de FA par rapport aux procédés soustractifs classiques est le fait que la quantité de matière nécessaire pour fabriquer une pièce donnée est nettement inférieure. Dans le cas de la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), considéré comme le procédé de FA le plus mature pour l’élaboration de pièces métalliques complexes, celles-ci sont fabriquées par ajout successif de couches de poudre les unes au-dessus des autres, avec une consolidation localisée du matériau par un laser après chaque dépôt de couche. De ce fait, lors des fabrications, seule une petite fraction du volume de poudre utilisé est consolidée en tant que pièces, et les coûts et le rendement économique et écologique du procédé L-PBF dépendent fortement de la capacité à réutiliser efficacement la poudre non fondue. Cependant, les poudres récupérées à la fin d'une fabrication peuvent être dégradées par le procédé du fait des interactions complexes entre le laser et le lit de poudre conduisant à l'éjection de matière qui peut contaminer le lit de poudre. Par ailleurs, les particules non fondues peuvent être exposées à de très hautes températures lors des passages successifs du laser, et ce dans une atmosphère imparfaitement contrôlée avec des teneurs résiduelles en oxygène suffisantes pour promouvoir leur oxydation. Ce travail se concentre sur la compréhension des effets de la réutilisation de la poudre, également appelée recyclage de la poudre, et de leur impact sur la matière première et les pièces élaborées. Cette thèse propose également une méthodologie de suivi in-situ de la qualité de la poudre pendant le procédé L-PBF, ainsi qu'une étude de l'influence des paramètres de fabrication sur la dégradation de la poudre. Dans une perspective plus globale, l’objectif de cette thèse est de rendre le recyclage de la poudre plus fiable en technologie L-PBF, et ainsi réduire les déchets de matière première dans un contexte d'économie circulaire.

Powder-based metal additive manufacturing (AM) has emerged as a competitive, alternative technology to conventional metallurgical processes such as casting or forging for the production of parts used in different industrial sectors, including aerospace, automotive, biomedical and energy. This success is attributed to the almost unlimited design possibilities for the manufacturing of near-net-shape components with excellent mechanical properties. Moreover, one of the main and differentiating advantage of AM technologies from conventional subtractive processes is that substantially smaller amounts of material are needed to build the parts. In the case of laser powder bed fusion (L-PBF), considered as the most mature AM process for the fabrication of complex metallic parts, they are manufactured by successive addition of powder layers on top of each other, with selective consolidation of the material by a laser between each layer. During the process, only a small fraction of the build volume is consolidated as parts, and the economic and ecological efficiency of L-PBF strongly depends on the ability to efficiently reuse un-melted powder. However, the remaining powders recovered at the end of a fabrication can be altered by the process due to the complex interactions between the laser and the powder bed leading to material ejection contaminating the adjacent un-used powder. Besides, the exposition to high temperatures with repeated laser scanning in an imperfectly controlled atmosphere with residual oxygen levels can lead to particles oxidation. This work focuses on the understanding of powder reuse, also referred to as powder recycling, with its impact on the raw material and the manufactured specimens. This PhD thesis also proposes a methodology for the in-situ monitoring of the powder quality during the L-PBF process, as well as an investigation of the influence of manufacturing parameters on powder degradation. In a global perspective, the objective of this thesis is to make powder recycling reliable in L-PBF, and thus reduce material waste in a context of circular economy.