Étude du carbone amorphe pour l'impression 3D du cuivre

Amorphous carbon study on copper substrates applied to 3D metal printing

• Auteur / Autrice : Ângela Elisa Crespi
• Direction : Marie-Christine Hugon, Daniel Lundin, Albin Effernelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lecoeur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Paule Besland, David Horwat, Guillaume Fribourg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, David Horwat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions laser-matière

Dépôt d'énergie

Poudres métalliques

Couches minces semiconductrices

Carbone -- Couches minces

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Carbone amorphe

Réflectance

Cuivre

Poudre

Métal additive

Amorphous carbon

Reflectance

Copper

Powder

Metal additive

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse consiste en des expériences expérimentales et théoriques allant de domaines multidisciplinaires à l'amélioration de la réflectance du cuivre. La poudre de cuivre est utilisée comme matière première dans le processus d'impression 3D également appelé fusion laser sur lit de poudre ou fusion sélective par laser. Plus précisément, le lit de poudre signifie que le matériau en poudre est étalé en couches et fusionné pour former un nouvel objet. L'objectif principal de ce travail est de démontrer que les films à base de carbone amorphe déposés par pulvérisation cathodique magnétron sur des substrats en Cu sont une stratégie potentielle pour réduire l'apport énergétique de l'impression 3D utilisant un laser comme source d'énergie. L'ajout de carbone amorphe ne doit pas influencer les propriétés du Cu, comme la conductivité de la pièce produite. La première partie de cette thèse consiste à optimiser les propriétés du film à déposer sur le Cu. Deux films ont été déposés : des films de carbone a-C amorphe et des films carbone-métal a-C:SS amorphe (composé de 50% de métaux en acier inoxydable comme Fe, Ni, Cr et 50% de carbone). L'étape suivante a été de montrer que les films amorphes peuvent réduire la réflectance du substrat de cuivre jusqu'à 80% dans la longueur d'onde infrarouge. Cette réduction se produit en ajoutant les quantités minimales de matériau pour préserver les caractéristiques du cuivre. Ainsi, le choix du film se porte sur des films a-C ultra-minces. Ces films a-C réduisent drastiquement la réflectance due aux phénomènes d'interférence et aux pertes. Cette réduction a conduit à une diminution de 40% de l'apport d'énergie laser lors de l'utilisation de films a-C de 25 nm avec une fusion de qualité du Cu. Un autre sujet d'intérêt dans ce travail est la compréhension des mécanismes sur l’évacuation de charge d’une poudre de cuivre surtout lorsqu'on utilise un faisceau d'électrons comme source d'énergie. Plusieurs effets ont été observés lors du passage d'un courant à travers la poudre, le plus important étant une transition de l'état isolant à l'état conducteur pour des compressions et des polarisations spécifiques. On peut supposer que la transition dépend des charges électrostatiques, de l'effet de chauffage du microcontact et de la taille des grains. La distribution des grains de petite taille soumise à de faibles courants (< 0,30 mA), a démontré que cette configuration est plus sensible à la compression et que la transition de l'état isolant à l'état conducteur est plus difficile à observer.

This work present in this thesis consists of experimental and theoretical experiments ranging from multidisciplinary areas to improve the reflectance of copper. The Cu powder is used as feedstock in the 3D printing process also called Laser Powder Bed Fusion or Selective Laser Melting. Specifically, the powder bed process means that the powder material is spread in layers and fused to form a new object. The main objective of this work is to demonstrate that amorphous carbon-based films deposited by magnetron sputtering on Cu substrates are a potential strategy to reduce the energy input of 3D printing using a laser as a power source. The addition of amorphous carbon must not influence the properties of Cu, such as the conductivity of the printed object. The first part of this thesis consists of optimizing the properties of the film to be deposited on the Cu. Two films were deposited: amorphous a-C carbon films and amorphous a-C:SS carbon-metal films (composed of 50% stainless steel metals like Fe, Ni, Cr and, 50% of carbon). The deposition of these films is in the ballistic plasma regime. The next step demonstrated that amorphous films can reduce the reflectance of the copper substrate by up to 80% in the infrared wavelength. The reduction happens when adding the minimum quantities of material to preserve the Cu characteristics. Thus, the choice is a-C ultra-thin films. These films reduce the reflectance due to interference phenomena and losses. This reduction led to a 40% reduction in laser energy input when using 25 nm a-C films while maintaining a quality Cu weld. Another topic of interest in this work is the mechanisms of charges' evacuation mainly when using an electron beam as an energy source. Several effects were observed when passing a current through the powder, the most prominent is a transition from the insulator to the conducting state at specific compressions and polarizations. It can be assumed that the transition depends on the electrostatic charges, the micro-contact’s heating effect, and the grain size. Smaller grain size distribution submitted to low currents (< 0.30 mA), demonstrated that the small powder in this configuration is more sensitive to compression and the transition insulator to a conductor is harder to observe.