Etude métrologique de l’influence des paramètres du procédé sur les propriétés géométriques et dimensionnelles des pièces fabriquées par fusion laser sur lit de poudre

Metrological study of the influence of processing parameters on geometrical and dimensional accuracy of additively manufactured parts produced by laser powder bed fusion

• Auteur / Autrice : Lucas Fournet-Fayard
• Direction : Anne-Françoise Obaton, Charles Cayron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique, électronique, photonique et systèmes. Métrologie
• Date : Soutenance le 10/10/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCM - Laboratoire commun de métrologie LNE Cnam - Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Peyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Françoise Obaton, Charles Cayron, Patrice Peyre, Nabil Anwer, Marc Thomas, Sebastien Devroe, Jean Rinkel, Imade Koutiri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nabil Anwer, Marc Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure

Métrologie virtuelle

Mots clés libres

Métrologie

Fabrication additive

Dimensionnel

Lit de poudre

Métal

Géométrique

Metrology

Additive manufacturing

Dimensional

Powder bed fusion

Metal

Geometry

Résumé

Le procédé fusion laser sur lit de poudre (PBF-LB) prend une place de plus en plus importante dans l’industrie, néanmoins, certains aspects demeurent mal compris. Ce manque de connaissance a pour effet de limiter le développement du procédé, notamment dans le cas des propriétés dimensionnelles et géométriques des pièces issues de ce procédé, qui peuvent présenter des écarts significatifs par rapport au modèle numérique. Ces travaux visent donc à améliorer la compréhension des mécanismes à l’origine des écarts dimensionnels et géométriques. Après une étude bibliographique ayant permis de déterminer les principales causes de ces écarts ainsi que les paramètres du procédé les plus influents, il a été décidé d’étudier les aspects dimensionnels et géométriques à différentes échelles. Une première étude a été réalisée à l’échelle du cordon de fusion, ce qui a permis de mieux comprendre les plages de paramètres résultant en une construction saine. Cette étude a également mis en évidence les variations de morphologie du cordon en fonction des paramètres du procédé utilisés. La seconde étude à l’échelle de la pièce a permis d’illustrer l’impact de la géométrie du cordon ainsi que celle de la rugosité sur les écarts dimensionnels. Les écarts géométriques, quant à eux, sont influencés par l’état de surface et par les déformations dues aux contraintes résiduelles, qui ont par ailleurs fait l’objet d’une étude plus approfondie. En outre, le lien entre dimension/géométrie avec la température et la vitesse de refroidissement des pièces durant le processus de fabrication a été mis en évidence lors d’une étude thermique. Le rôle des paramètres du procédé puissance laser et vitesse de balayage a également été étudié, et a révélé une influence moins importante que prévue sur les écarts dimensionnels et géométriques en comparaison avec l’influence de la géométrie de pièce choisie. Finalement, une attention a été portée sur des structures lattices, dont l’étude a révélé l’importance de l’orientation des branches, ainsi que la difficulté de caractériser la géométrie de ce type de pièce.

The laser powder bed fusion (PBF-LB) use is increasing in the industry, but a lack of understanding remain on some aspects, which limits its development. This is the case for the dimensional and geometric properties of the parts produced by this process, which can display significant deviations from the numerical model. Thus, the aim of this work is to improve the understanding of the mechanisms behind dimensional and geometric deviations. Following a literature review which identified the main causes of these deviations and the most influential process parameters, it was decided to study the dimensional and geometric aspects at different scales. An initial study was carried out on the scale of the melt bead, which enabled us to gain a better understanding of the ranges of parameters that allow for healthy construction. This study also enabled the determination of the variations in bead morphology as a function of the process parameters used. The second study at part scale illustrated the impact of bead geometry and surface roughness on dimensional deviations. The geometric deviations are influenced by the surface roughness, and by the distortions due to residual stresses, which were specifically studied afterwards. The role of the process parameters laser power and scanning speed was also assessed, revealing a less significant influence than expected compared to the influence of the chosen geometry. Finally, attention was paid to lattice structures, the study of which revealed the importance of orientation as well as the difficulty of evaluating the geometry.