Nouveau projet : augmenter la qualité des pièces obtenues par Laser Beam Melting

Le LBM devient un procédé de fabrication reconnu pour des pièces métalliques. Mais il souffre encore de problèmes qui ne permettent pas de garantir la qualité de celles-ci. Sirris a lancé un nouveau projet visant à améliorer la maîtrise de la thermique complexe du procédé.

Le procédé d'additive manufacturing LBM (Laser Beam Melting) devient progressivement un outil de production de pièces métalliques complexes et fonctionnelles. La gamme des matériaux aujourd'hui disponibles répond aux besoins industriels. Mais dans les applications où la qualité métallurgique et les propriétés mécaniques des pièces fabriquées sont critiques, la technique n’apporte pas suffisamment de garantie sur les propriétés obtenues et la répétabilité de la qualité. 

Lorsque les paramètres de fabrication sont optimisés, les propriétés obtenues sur éprouvettes sont proches de celles attendues pour les matériaux mis en œuvre et très intéressantes pour les industriels. Par contre, on ne peut garantir ces propriétés sur des pièces réelles car les conditions thermiques varient en cours de fabrication et les propriétés mécaniques et microstructurales dépendent directement de l’historique thermique de chaque couche. 

La traçabilité de ces conditions également est insuffisante. Elles résultent du bilan thermique complexe entre :

  • l’apport énergétique du laser sur chaque pièce (fusion de la poudre métallique, transformations de phase, échauffement des couches précédentes)
  • le chauffage du plateau support (réduction du choc thermique, des contraintes internes et des déformations)
  • les déperditions par conduction à travers la poudre vers les parois et le plateau
  • la convection forcée due au balayage d’argon
  • le rayonnement 

L’opérateur doit choisir des paramètres technologiques (puissance laser, vitesse et intervalle de balayage, température de plateau…) en fonction du matériau et du type de pièce (fine, massive…), déterminés pour des conditions standards. La section des pièces évoluant en permanence et les différentes pièces sur le même plateau de fabrication s’influençant mutuellement, les conditions réelles sont différentes. Il n’existe pas encore de système de régulation efficace. L’opérateur peut faire quelques corrections en fonction de l’observation visuelle de la surface des couches mais les réglages restent empiriques. 

De l’aspect des couches et de l’analyse des pièces réalisées, on peut supposer qu'il y a des surchauffes momentanées en cours de fabrication dues soit à un excès d’énergie, soit à une dissipation insuffisante de la chaleur accumulée. Inversement, des délaminations et couches rugueuses sont rencontrées à des températures trop basses. 

Ces écarts provoquent localement des défauts comme des porosités, des fissures par accumulation de contraintes ou des variations de propriétés et même des problèmes de fabrication compromettant les opérations en cours. 

Les solutions actuelles des fabricants intègrent des informations visuelles ou thermiques obtenues uniquement à la surface de la poudre et sont souvent basées sur une comparaison avec les couches précédentes. Idéalement, il faudrait stabiliser la température de chaque couche moyennant un paramétrage évolutif ou une régulation mais la première étape est la mesure et la modélisation de ces températures. 

Le projet Qualam, qui vient de démarrer et qui se poursuivra pendant 2 ans, vise à obtenir une meilleure connaissance des échanges thermiques du LBM grâce à la modélisation thermique en temps réel couplée à la mesure des températures de surface, pour assurer une meilleure maitrise du procédé et une optimisation des paramètres en fonction des variations en cours de fabrication. Un pas de plus vers l'assurance qualité et la traçabilité attendue par les industriels. 

La combinaison du méta-modèle thermique et des mesures de températures à la surface libre de la pièce en fabrication donnera à terme l’historique thermique en tous points, grâce à une vue 3D des échanges thermiques, là où les mesures ne sont pas accessibles. 

Sirris évaluera l'état de l'art des solutions existantes et définira des spécifications. Il adaptera les équipements à la chaîne de mesure. Enfin, sur base de pièces d'étude simples, il établira les corrélations entre microstructures, propriétés mécaniques et paramètres de process. Le centre évaluera aussi les améliorations obtenues en termes de qualité. 

Les partenaires de ce projet sont le CRM, qui assurera l'instrumentation de la machine, Cenaero qui développera le modèle et ULg-MMS qui caractérisera et analysera les propriétés physiques des pièces imprimées.