L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre

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Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ?

Le congrès 3D Print & Exhibition vient de fermer ses portes à Lyon, à cette occasion les visiteurs ont pu déambuler dans les allées du plus gros congrès français dédié à la fabrication additive. L’occasion idéale de rappeler les spécificités du procédé avant que ces professionnels de l’Industrie ne succombent les yeux fermés aux sirènes de la fabrication additive. Parmi les particularités de ces procédés qui représentent à coup sûr le futur de notre industrie on retrouve la nécessité d’adapter des traitements thermiques aux pièces issues de ces nouvelles méthodes de fabrication.

Aujourd’hui, il est en effet largement admis que la majorité des procédés de mise en forme de matériaux métalliques implique l’utilisation de traitements thermiques pour répondre à la multitude de problématiques qu’ils génèrent. En effet il est parfois nécessaire de réaliser une relaxation des contraintes résiduelles après la mise en forme (détensionnement), de réduire (voir d’éliminer) l’anisotropie de la structure des grains ainsi que celle des caractéristiques mécaniques ou encore de durcir la matière par précipitation structurale. Sans parler du compromis à faire entre les valeurs de résistance mécanique (Rm), de limite élastique (Rp0.2) et d’allongement à la rupture (A%).

On retrouve ces mêmes problématiques dans le cadre de la fusion laser sur lit de poudre. De manière générale, tous les procédés de fabrication additive métallique sont concernés. Cependant ces derniers donnent naissance à des structures métallurgiques différentes de celles des procédés de mise en forme « classiques » comme l’usinage et la fonderie. Cet élément est à prendre en compte puisqu’il implique une adaptation des traitements thermiques.

Des structures métallurgiques différentes qui impliquent une adaptation des traitements thermiques

Détentionnement éprouvettes dans un four pour traitement thermique

Un sujet d’étude du programme SUPCHAD

 

L’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser est l’un des sujets d’études du programme SUPCHAD.

Ce programme de R&D collaborative nous permet désormais de vous conseiller sur le traitement thermique le plus adapté à vos applications.

 

 En savoir plus

 

Les alliages d’aluminium les plus utilisés en fusion laser sur lit de poudre proviennent de la famille 40000. Cette famille contient des alliages tels que l’AlSi12, l’AlSi10Mg, l’AlSi7Mg0.6 ou encore l’Alsi9Cu3. Ceux-ci contiennent une faible quantité de magnésium qui, couplé avec le silicium en excès, permettent un durcissement structural grâce à un traitement thermique adapté. Or c’est là que réside le cœur de la problématique, l’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser.

Les pièces obtenues par fusion laser présentent en effet des structures métallurgiques particulières qui leur offrent des caractéristiques mécaniques généralement plus élevées que celles des produits issus de coulée. Cela s’explique par des tailles de grains et de dendrites qui sont plus fines, par un niveau de précipitation structurale différent et par un refroidissement très rapide qui donne naissance à une solution solide d’aluminium sursaturée. De plus, la température du plateau de fabrication et la stratégie de fabrication employée ont également des effets non négligeables sur la structure métallurgique, sur les contraintes résiduelles et sur les caractéristiques mécaniques des pièces brutes de fusion.

La connaissance et la compréhension de toutes ces spécificités apportent de nouvelles données qui permettent la mise au point de gammes de traitements thermiques efficientes comme c’est d’ores et déjà le cas pour les pièces issues de coulée. En effet, tous les alliages de la famille 40000 sont mis en œuvre par coulée grâce à des procédés de fabrication qui sont largement utilisés et maîtrisés. Si bien qu’il existe plusieurs gammes de traitements thermiques qui permettent de choisir différents compromis de caractéristiques mécaniques en vue d’une utilisation particulière. Or dans le cadre des procédés de fabrication novateurs comme le sont ceux de la fabrication additive métallique, le niveau de connaissance n’avait jusqu’alors pas permis d’élaborer de telles gammes de traitements thermiques. Les choses changent et petit à petit les traitements thermiques sont adaptés aux spécificités métallurgiques des pièces obtenues par fusion laser sur lit de poudre, avec en ligne de mire l’application visée.

Les traitements thermiques ou l’art du compromis

Dans l’état brut de fusion, les caractéristiques mécaniques élevées sont dues en partie à la finesse de la structure, or le recours à un traitement thermique génère un grossissement de celle-ci, ce qui occasionne donc une baisse des caractéristiques mécaniques. De plus l’utilisation d’un traitement thermique peut avoir pour effet de durcir le matériau par précipitation structurale. L’intérêt est donc de trouver un compromis entre la finesse de la microstructure et la taille/le nombre de précipités au sein du matériau pour obtenir des propriétés mécaniques optimales.

De manière générale et comme pour les autres procédés de fabrication de pièces métalliques, il est possible d’effectuer une étude qui déterminera quel est le traitement qui offre le compromis adéquat pour l’application visée en jouant sur les valeurs de Rm, de Rp0,2, d’A%, sur l’anisotropie des caractéristiques mécaniques et sur la détente des contraintes résiduelles.

L’exemple du traitement T6

Le traitement T6 (mise en solution, trempe et revenu) est généralement pratiqué sur les alliages de la famille 40 000. L’étape de mise en solution permet, comme son nom l’indique, de mettre en solution les éléments d’alliages. Le refroidissement rapide lors de la trempe maintient la solution solide en sursaturation tandis que le revenu occasionne un durcissement structural homogène par précipitation des éléments d’alliages en sursaturation.

Ce traitement doit être utilisé avec précaution sur des pièces issues de fusion laser sur lit de poudre puisqu’il ne produit pas systématiquement une amélioration des caractéristiques mécaniques. En effet pour l’AlSi10Mg, la dureté du matériau est plus faible suite à un T6 en comparaison avec l’état brut de fusion. On constate également la présence de polyèdres de silicium suite à la mise en solution. Ces polyèdres ont une influence sur les caractéristiques mécanique de l’alliage. Chose impossible lorsque la pièce est obtenue avec les procédés de fabrication traditionnels puisque l’on ne constate pas la présence de ces polyèdres de silicium à la suite à la mise en solution.

Le cas du traitement T6 n’est pas unique et il démontre l’importance de ne pas appliquer machinalement les traitements thermiques « standards » sans compréhension de leurs influences sur la métallurgie et sans étude préalable. Par « standards » on fait référence aux traitements thermiques utilisés sur les matériaux mis en œuvre avec les procédés de fabrication traditionnels.

observation polyèdre silicium suite à un traitement thermique

Observation au microscope électronique à balayage de polyèdres de silicium

Les traitements thermiques des fabricants de machines

Les traitements thermiques proposés par les fabricants de machine concernent le détensionnement (300°C – 2H chez SLM, EOS, Renishaw, 240°C – 6H chez Concept Laser) de la matière. L’objectif est bien entendu de limiter les déformations résiduelles des pièces suite à leur découpe du plateau de fabrication. Toutefois, pour les alliages d’aluminium en plus de la réduction des contraintes résiduelles, les détensionnements proposés réduisent l’anisotropie des caractéristiques mécaniques, diminuent les valeurs de Rm, de Rp0,2 et augmentent la valeur d’A%. Cela ne fait que confirmer l’importance d’étudier au cas par cas les traitements thermiques afin de soumettre les pièces obtenues par fabrication additive à des traitements adaptés.

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La fissuration à chaud en fusion laser

La fissuration à chaud est l’un des problèmes majeurs lorsque l’on utilise un procédé de fabrication qui induit une solidification du matériau, c’est-à-dire un passage de l’état liquide à l’état solide. Le soudage, la fonderie ou la fabrication additive sont donc des procédés qui donnent naissance à des pièces qui peuvent présentées des fissures. Des pièces qui se retrouveraient fragilisées par des fissures plus ou moins longues qui courent au travers de la matière. Si bien que mettre la pièce en fonction pourrait s’avérer dangereux si la pièce est soumise à des contraintes thermiques et/ou mécaniques. Les causes du phénomènes de fissuration à chaud sont multiples et elles peuvent être amplifiées par les spécificités du procédé utilisé.

La fissuration à chaud en fabrication additive métallique

une fissure intergranulaire dans un alliage aluminium

fissuration à chaud fusion laser SLM

D’une manière générale, la fissuration à chaud se produit lorsque le matériau est en cours de solidification (à la fin de celle-ci pour être précis). Elle correspond en fait à l’ouverture irréversible d’espaces inter-dendritiques. En effet lorsque la solidification s’amorce, la matière se solidifie sous forme de dendrites. Entre ces dernières, la matière est encore à l’état liquide. Du fait des contraintes thermiques et des retraits causés par le passage à l’état solide, ces espaces s’ouvrent et ne sont pas comblés.

Les fissures présentes dans les pièces obtenues par fabrication additive métallique -ici par fusion laser sur lit de poudre– sont semblables à celles des autres procédés (soudage, fonderie, etc) mais le phénomène est amplifié par les spécificités du procédé. En effet si fissures il y’a (le but étant bien entendu de les éviter), elles apparaissent comme attendu dans les espaces inter-dendritiques et inter-granulaires. Là où elles sont les plus néfastes. Le tout à la fin de la solidification du cordon, quelques instants après le passage du faisceau laser lorsque les cristaux en pleine croissance sont encore séparés par le liquide inter-granulaire. À ce moment, la solidification n’est en effet pas complète et les grains sont entourés d’une fine pellicule liquide. Ces pellicules liquides n’offrent aucune résistance mécanique si bien que si elles sont trop étendues, elles subissent les contraintes de retraits de la matière et finissent par se déchirer en formant des fissures. Lesquelles se retrouvent aux joints de grain et affaiblissent la pièce produite.

Le procédé de fusion laser peut favoriser l’apparition du phénomène de fissuration à chaud dans le sens où ses spécificités sont telles qu’elles sollicitent fortement le matière. Tout d’abord le procédé impose des variations de température importantes avec une vitesse de solidification rapide de la matière de l’ordre de 105°C/s, une forte ségrégation des éléments chimiques jusqu’à permettre la formation d’eutectiques hors-équilibres ainsi que des retraits significatifs. Le procédé de fusion laser peut également modifier la composition chimique du matériau ce qui peut encore accroître la sensibilité d’un alliage à la fissuration à chaud. En effet les températures atteintes lors de la fabrication sont telles que les points d’évaporation de certains éléments chimiques sont largement dépassés. C’est le cas par exemple des taux de magnésium (Mg) et de zinc (Zn) qui -comme le montrait l’article sur l’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser– sont les éléments qui s’évaporent le plus. Pour un alliage AlMg14 le taux de magnésium passait par exemple de 13.3% avant fusion à 8.7% après. Tous ces facteurs combinés peuvent donner naissance au phénomène de fissuration à chaud.

Un phénomène prévisible grâce aux courbes de sensibilité

Les courbes de sensibilité permettent de déterminer la sensibilité d’un alliage à la fissuration à chaud et ce grâce à sa composition chimique. Cependant celles-ci ont été créé pour le soudage, procédé pour lequel la vitesse de refroidissement est beaucoup moins élevée que pour la fusion laser sur lit de poudre. Néanmoins elles aident à déterminer une tendance à la fissuration.

fissuration a chaud courbes de sensibilité aluminium

courbe de sensibilité fissuration à chaud SLM

Leur utilisation avec l’exemple de l’alliage 5083 révèle qu’avant la fusion laser, l’alliage ne se trouve a priori pas dans une zone où les risques de fissures sont élevés. Cependant la température maximale atteinte lors de la fusion est de 1249°C, ce qui a pour effet de provoquer l’évaporation du magnésium présent dans le matériau. D’après les analyses, le taux de magnésium passe de 3.8% (avant fusion) à 2.7%(après fusion). Cette baisse du taux de magnésium rapproche l’alliage de la zone où les risques de fissuration sont élevés.

À contrario, des alliages comme l’AlMg14 ou l’AlSi10Mg ne souffrent pas du procédé de fusion laser au point de présenter des fissures. Les courbes de sensibilité montrent que ces deux alliages sont éloignés des zones critiques de part leur composition chimique.

Dans le cas de l’AlMg14, les courbes de sensibilité à la fissuration à chaud démontrent que le taux élevé de magnésium préserve l’alliage de la fissure. Et ce même si la fusion provoque une évaporation de 4.6% de celui ci.

En revanche l’AlSi10Mg échappe à la fissuration grâce à un taux de silicium proche des 10%. Lequel ne diminue pas pendant la fabrication puisque les températures atteintes ne sont pas supérieures au point d’évaporation de cet élément chimique.

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L’évaporation des éléments chimiques des alliages d’aluminium


L’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser sur lit de poudre est un phénomène logique qui influence l’aptitude d’un alliage d’aluminium à être utilisé en fusion laser. Plus précisément, l’explication de ce phénomène aide à déterminer si une pièce fabriquée dans tel ou tel alliage d’aluminium présentera des fissurations à chaud. Et donc, si la pièce pourra assurer sa fonction ou pas. Il est important pour les industriels de comprendre et de maîtriser ce phénomène d’évaporation des éléments chimiques, surtout lorsqu’ils souhaitent se lancer dans la fabrication de pièce via ce procédé phare de l’Industrie du futur.

Des données de fabrication qui expliquent le phénomène d’évaporation

Grâce à la conduction, la trajectoire du faisceau laser sur le lit poudre forme un cordon de soudure qui peut être modélisé par un bain de fusion de forme hémisphérique. En accord avec les lois qui régissent ce mode opératoire -la conduction-, il est possible de déterminer bon nombre de facteurs qui influeront sur la fabrication (température du bain de fusion, température de l’enveloppe,etc) et d’en extraire des données de fabrication cruciales pour chaque alliage d’aluminium. Des données qui peuvent être utiles à tout professionnel de l’Industrie qui s’intéresse de près ou de loin à la fabrication additive.

tableau alliage aluminium fusion laser

Vos matériaux
sont-ils aptes ?

 

Nos experts vérifient l’aptitude de tous vos matériaux métalliques y compris celle de vos alliages d’aluminium pour une utilisation en fusion laser sur lit de poudre.

– OU –

Si besoin, nous cherchons pour vous un équivalent qui disposera des mêmes propriétés mécaniques.

 Vérifier l’aptitude du matériau

En fonction de l’alliage d’aluminium, la température maximale atteinte dans le bain de fusion oscille entre 1061°C et 1411°C. À ces températures il est logique que certains éléments chimiques s’évaporent et disparaissent jusqu’à rendre la pièce fabriquée inutilisable car trop assujettie à la défaillance. Les éléments chimiques responsables sont donc ceux qui disposent des points d’évaporation les plus bas.

Des évaporations qui modifient les compositions chimiques des alliages d’aluminium

Avec un point d’évaporation situé à 1090°C pour l’un et à 907°C pour l’autre, le Magnésium (Mg) et le Zinc (Zn) sont les deux éléments chimiques qui possèdent le plus gros taux d’évaporation lors d’une fabrication par fusion laser sur lit de poudre. L’explication se retrouve bien sûr dans le tableau précédent. Les températures qui sont en effet atteintes lors de la fabrication sont bel et bien supérieures aux points d’évaporation du Magnésium et du Zinc.

En revanche, l’évaporation semble épargner les autres éléments chimiques au vu du peu, ou de l’absence totale, de variations dans les taux constatés avant et après la fusion laser sur lit de poudre. Le taux de Manganèse (Mn) par exemple n’évolue jamais à la baisse car son point d’évaporation est situé à 2061°C. Soit une température jamais atteinte lors de la fabrication.

En savoir plus

L’évaporation des éléments chimiques est l’un des sujets que nous avons étudié dans une publication dédiée à l’aptitude à la fabrication additive des alliages d’aluminium, consultez  et téléchargez la publication.



les taux des éléments chimiques varient à cause de l'évaporation

Privilégier les alliages d’aluminium avec des taux de Mg et Zn élevés

L’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser sur lit de poudre provoque des modifications de compositions chimiques. Or, il s’agit là d’un des principaux facteurs responsables du phénomène de fissuration à chaud. L’un des principaux donc, mais pas le seul. La comparaison de sections métallographiques réalisées sur différents alliages d’aluminium démontre que malgré l’évaporation, certains alliages présentent des fissurations et d’autres non. L’explication réside dans le fait que l’influence du procédé sur la matière est telle que réduire la question de l’aptitude d’un alliage à sa simple propension à l’évaporation serait en réalité une négligence. Une négligence qui risque de s’avérer préjudiciable une fois passé à la phase d’industrialisation du procédé de fusion laser sur lit de poudre. Une chose est sûre. Il est important de prévoir les conséquences du phénomène d’évaporation des éléments chimiques lors de la fabrication pour s’en prémunir. Les alliages d’aluminium qui présentent des taux de Magnésium (Mg) et de Zinc (Zn) élevés doivent être privilégiés.

Pour se protéger de tous ces risques, les alliages d’aluminium doivent être étudiés au cas par cas. Tous ne sont pas aptes à être utilisés en fusion laser sur lit de poudre, c’est le cas par exemple de l’alliage 7020. Les sections métallographiques réalisées sur le matériau viennent le prouver puisque l’on y constate un nombre important de fissures. La combinaison entre le procédé de fusion laser et cet alliage a donc de grandes chances de donner naissance à des pièces qui défailliront une fois mises en fonction. En revanche, les résultats de l’alliage AlSi10Mg sont tout autres. Certes l’évaporation des éléments chimiques a bien lieu (on constate un taux de Mg qui passe de 0.75 avant fusion à 0.32 après fusion) mais aucune fissure n’est visible sur les sections métallographiques.

évaporation alliage 7020 fusion laser

évaporation éléments chimiques Alsi10Mg

fissuration à chaud alliage aluminium 7020

AlSi10Mg fissuration à chaud

En conclusion, le phénomène d’évaporation des éléments chimiques est un facteur important pour déterminer l’aptitude d’un alliage d’aluminium mais ce n’est pas le seul. Plusieurs autres phénomènes entrent en jeu et tous doivent être connus par les ingénieurs et les techniciens qui souhaitent maîtriser le procédé en vue de l’industrialisation. Tout industriel qui souhaite se lancer dans la production de pièces via la fusion laser sur lit de poudre doit donc s’attendre à voir la composition chimique de sa pièce évoluer au cours de la fabrication. Avant de lancer la fabrication, il est donc important de connaître l’influence de ce procédé novateur sur la matière car tous les alliages d’aluminium ne sont pas aptes à être utilisés en fabrication additive. C’est d’autant plus vrai lorsque la pièce est destinée à des secteurs sensibles comme l’aéronautique, l’aérospatial ou encore la défense.
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Tout savoir sur la fusion laser sur lit de poudre métallique

La fusion laser sur lit de poudre est un procédé de fabrication additive métallique qui consiste à créer une pièce couche par couche grâce à la fusion des particules de poudre via un faisceau laser. Le cadre normatif de cette technologie, également connue sous le nom de Selective Laser Melting (SLM), est en cours de construction au niveau mondial. La fusion laser sur lit de poudre rend possible la fabrication de pièces aux géométries irréalisables avec les procédés conventionnels. On parle de fabrication directe lorsqu’elle est utilisée comme moyen de fabrication de petites et moyennes séries car elle ne nécessite ni outil ni programmation.

Après plus d’une décennie d’existence commerciale, les utilisateurs de ce procédé sont les entreprises des secteurs Aéronautique et Aérospatiale, de l’Armement,  Outillage, Médical, et de l’Automobile de compétition voir de Luxe. Le secteur de la bijouterie utilise également la fusion laser sur lit de poudre car elle permet la mise en oeuvre de matériaux précieux tels que l’or ou le platine.

Processus de fabrication & chaîne numérique de la fusion laser sur lit poudre

Processus de fabrication

Le processus de fabrication via le procédé de fusion laser sur lit de poudre est réalisé dans une enceinte sous gaz neutre. Il peut être décrit en 4 étapes clés :

Une fois la poudre stockée dans le réservoir d’approvisionnement, le piston s’élève de la hauteur d’une épaisseur de couche.

Un système de mise en couche vient ensuite étaler cette épaisseur de poudre dans le bac d’impression. C’est le lit de poudre.

Si la mise en couche est valide, le laser donne naissance à la première section de l’objet par création de micro-cordons les uns à coté des autres issus de la  fusion des particules de poudres se trouvant sur sa trajectoire. Si la couche formée n’est pas uniforme, une deuxième mise en couche est effectuée pour combler les manques avant le passage du laser.

Pour finir, le bac d’impression s’abaisse légèrement (de l’épaisseur d’une couche de poudre) et l’opération recommence. De cette manière, les particules vont fusionner strate par strate jusqu’à l’obtention de la pièce finie.

fonctionnement d'une imprimante 3D de fusion laser sur lit de poudre

Chaîne numérique

Le procédé de fusion laser sur lit de poudre est semblable à une fabrication itérative de tranches 2D. À quelques détails près, la chaîne numérique de ce procédé est similaire à celle des autres procédés de fabrication.

  • Création d’un fichier CAO au format classique
  • Transformation en fichier STL
  • Positionnement des pièces dans la zone virtuelle de travail
  • Mise en place virtuelle des supports de fabrication
  • Découpage du fichier STL (passage du 3D au 2D)
  • Calcul des trajectoires laser

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Notre équipe de spécialistes de la fabrication additive vous accompagne pour que vous développiez votre entreprise en devenant un expert du procédé. De la conception jusqu’aux étapes de post-traitements, profitez de notre savoir-faire.

 

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Les spécificités de la fusion laser sur lit de poudre

Les poudres

Les poudres utilisées en fusion laser sur lit de poudre doivent présenter des granulométries fines et une répartition de type gaussienne. La morphologie des particules doit être la plus sphérique possible de manière à assurer une bonne coulabilité. Actuellement, la majorité des poudres mises en oeuvre par fusion laser sont élaborées par atomisation sous gaz neutre. Cela permet d’obtenir des poudres sphériques de granulométrie comprise entre 1 et 100 microns.

L’épaisseur de couche est un paramètre influent car elle détermine la durée de la fabrication et l’ampleur de l’effet d’escalier visible sur la pièce avant finition. Cette épaisseur de couche est à choisir lors du découpage du fichier STL. Plus l’épaisseur de couche est importante, plus la fabrication est rapide.

Les supports de fabrication & la construction

Lors d’une fabrication réalisée par fusion laser sur lit de poudre, il existe des retraits de matière. Ce phénomène s’explique par le passage de la matière de l’état amorphe à l’état cristallin lors de la solidification ainsi que par la rétractation du réseau cristallin lors du refroidissement. Les supports de fabrication servent à contrecarrer les déformations causées par ces retraits en jouant le rôle de brides entre les pièces et le plateau de fabrication. Ils doivent donc être suffisamment nombreux et robustes pour compenser les contraintes mécaniques engendrées par cette différence de température.

Si ce n’est pas le cas, les contraintes générées lors de l’empilement successif des strates provoquent des déformations voir le décrochement des pièces du plateau ce qui a pour effet de faire crasher la fabrication. Outre leur rôle de bride, les supports de fabrication jouent également le rôle d’éléments porteurs durant certaines fabrications. Dès la conception, ils doivent être prévus pour être retirés avec des moyens conventionnels une fois l’impression terminée. Les supports de fabrication permettent également l’évacuation de la chaleur (conduction thermique) générée lors du passage du laser pour éviter un brûlage du matériau.

Comme tout procédé de fabrication, la fusion laser sur lit de poudre nécessite l’élaboration d’une stratégie de fabrication. Les plus utilisées sont la stratégie en bande et en damier avec un croisement entre les couches. Le choix de la stratégie de fabrication à adopter est tout aussi important que les paramètres de fabrication car ils conditionnent les propriétés finales de la pièce.

D’autre part, la température et la présence d’un gaz protecteur au sein de l’enceinte de fabrication doivent être contrôlés pour garantir le bon déroulement d’une fabrication. Le choix de ce gaz protecteur dépend quant à lui du matériau utilisé.

Les post-traitements

Une fois l’étape de construction par fusion laser sur lit de poudre terminée, la pièce n’est pas encore exploitable. Les supports de fabrication relient toujours la pièce au plateau, l’état métallurgique de l’objet, son état de surface et ses dimensions ne sont pas forcément en adéquation avec les caractéristiques attendues dans le cahier des charges. Les étapes de post-traitements sont donc nécessaires (grenaillage, détensionnement, traitements thermiques, compression isostatique à chaud, découpe des pièces du plateau …)

 

trophée SUPCHAD obtenu via fusion laser sur lit de poudre

SUPCHAD : notre consortium dédié à la fusion laser sur lit de poudre

Notre programme de R&D et de montée en compétences SUPCHAD a pour objectif de fournir aux industriels une maîtrise globale du procédé de fusion laser sur lit de poudre. De cette manière, les entreprises participantes peuvent apporter de la maturité à leur projet avant de réaliser leurs propres investissements.

Cet accompagnement comprend un programme de R&D donc, mais aussi de la formation et la mise à disposition en temps partagé d’un certain nombre de moyens :

  • Machine SLM 280 HL upgradée
  • Logiciels CAO & CFAO
  • Four de traitement thermique
  • Cabine de parachèvement
  • Loupe numérique
  • Scie à ruban, etc

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La fabrication additive métallique : entre mythe et réalité

Les spécificités des procédés de fabrication additive métallique

La fabrication additive métallique regroupe un ensemble de procédés de fabrication qui viennent élargir le champ des possibles en matière de production de pièces métalliques complexes. De par son principe, l’impression 3D métal est différente des autres procédés traditionnels. En effet et comme son nom l’indique, la caractéristique principale de la fabrication additive métallique réside dans le fait que l’on vient ajouter de la matière uniquement là où elle est nécessaire. C’est donc l’opposition parfaite aux procédés dit soustractifs, lesquels obligent à partir d’un trop-plein de matière pour ensuite venir travailler par enlèvement. Avec ces procédés de fabrication, l’impression des pièces métalliques est effectuée à plat et de manière itérative par une imprimante 3D. Couche après couche, la machine va donc donner forme à la pièce. Cette façon d’opérer est le facteur clé qui rend possible la fabrication de pièces d’une grande complexité géométrique.

Ces nouvelles possibilités offertes en matière de fabrication de pièce très complexes séduisent beaucoup d’industriels. Si bien qu’à l’heure actuelle, bon nombre d’entre eux reconnaissent réfléchir à l’intégration de la fabrication additive métallique pour développer leur entreprise. Parmi ceux qui l’utilisent déjà, les industriels des secteurs de l’Aéronautique, de l’Aérospatiale, de la Défense ou encore le secteur médical arrivent en tête devant ceux de l’Automobile (compétition & Luxe).

Ce succès s’explique par le fait que l’impression 3D métal permet de répondre à toutes sortes de problématiques sectorielles. En effet, les premiers peuvent l’intégrer en ayant pour objectif de produire des pièces complexes, robustes et légères, donc avionnables. Les entreprises du monde médical quant à elles utilisent la fabrication additive (métallique, céramique ou polymère) pour fabriquer des prothèses personnalisées dont la structure facilitera la reconstruction des os autour d’elle.

 

L'aérospatiale utilise la fabrication additive métallique

La Défense militaire utilise la fabrication additive métallique

L'aéronautique utilise la fabrication additive métallique

L'Automobile utilise l'impression 3D métal

Le monde médical utilise la fabrication additive

Le secteur ferroviaire utilise l'impression 3D métal

Malgré tout ce qui peut être dit sur ce procédé, la fabrication additive métallique n’est pas une solution miracle mais elle offre des possibilités différentes des autres procédés tout en apportant avec elle des spécificités qu’il est important de connaître (règles de conception spécifiques …)

Les principaux procédés d’impression 3D métal

La fusion laser sur lit de poudre (SLM)

Aussi connue sous nom anglais Selective Laser Melting, la fusion laser sélective sur lit de poudre est la spécialité du Cetim-Certec. Ce procédé est utilisé à des fins de prototypage rapide et de fabrication directe de pièces complexe en petites séries. Le tout dans des délais courts et avec peu ou
pas d’outillage.

La fusion laser sélective sur lit de poudre induit des étapes de post-traitements, de reprise et de finition. Dans certains cas, l’impression des pièces obligent à prévoir des supports de fabrication dès l’étape de conception. En effet, les capacités autoportantes des poudres métalliques peuvent ne pas suffire.

Les épaisseurs de couches sont comprises entre 20µm et 100µm. 

 

En savoir plus sur la SLM 

fabrication-additive-metallique-par-fusion-laser-selective-sur-lit-de-poudre

La fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons (EBM)

La fusion sur lit de poudre par faisceau d’électrons est un procédé similaire à la SLM. En effet, le principe est très similaire, seul la source d’énergie diffère. Avec l’Electron Beam Melting, la fusion des particules de poudres métalliques est effectuée par un faisceau d’électrons et non plus par un laser.

Bien sûr cette fusion par faisceau d’électrons induit des caractéristiques métallurgiques particulières sur les pièces fabriquées. Les spécificités de ce procédé de fabrication additive métallique sont nombreuses.

L’impression de la pièce doit par exemple être réalisée sous vide et des températures de fabrication de l’ordre de 700°C peuvent être utilisées. De telles températures ont pour effet de réduire les contraintes résiduelles au sein des pièces.

Les procédés de projection de poudre

Avec ces procédés, les particules de poudres métalliques sont directement projetées depuis la tête d’impression dans la source d’énergie (laser ou faisceau d’électrons).

Ces procédés de fabrication additive métallique sont utilisés par les industriels pour fabriquer des ébauches de pièces (souvent onéreuse) avec des sur-épaisseurs légèrement supérieures aux dimensions finales de l’objet à produire. Cette ébauche sera ensuite envoyée en usinage pour être reprise.

En opérant de la sorte, les industriels réduisent les pertes de matière sous forme de copeaux. La réparation de composants (rechargement) et l’ajout de fonctions sur des pièces sont également possibles.

La largeur du dépôt de matériau est comprise entre 0,1 et 0,4 mm.

Comment réussir l’intégration de la fabrication additive métallique ?

L’intégration d’un nouveau procédé de fabrication est toujours une étape complexe et importante pour le développement d’une entreprise. L’intégration de la fabrication additive métallique ne fait pas exception. En effet, les industriels qui songent à son intégration doivent en avoir une vision globale pour évaluer la pertinence de l’opération selon des critères technologiques & économiques.

Pour réussir cette intégration, il est important de bien mesurer les bénéfices & les contraintes apportés par l’impression 3D métal. De cette façon les industriels sauront s’ils sont capables de maîtriser les principales problématiques du procédé, à savoir :

  • L’offre matériau réduite
  • L’approvisionnement des poudres de matériaux
  • Les règles spécifiques de conception et les supports de fabrication
  • La phase d’impression
  • Les post-traitements et la finition
  • Le contrôle des pièces imprimées

Le lancement d’un projet de test est une solution intéressante pour juger de la faisabilité et de la pertinence d’une intégration de la fabrication additive métallique. Il permet aux industriels de tester et d’évaluer le procédé avant de réaliser leurs propres investissements.

Parmi les autres avantages de ce type de projets, leurs capacités à former rapidement les équipes qui seront amenées à gérer le procédé ou à travailler avec des sous-traitants.

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accompagnement impression 3d métal

Découvrez notre savoir-faire en matière de fabrication additive et profitez d’un accompagnement global & personnalisé.

Le programme SUPCHAD vous est quant à lui accessible, il vous permettra de tester le procédé et de réaliser vos propres travaux de R&D.

Notre accompagnement & SUPCHAD

Formez-vous à la fabrication additive

 

Formule 1 : Alfa Romeo fait l’acquisition d’une 3ème imprimante 3D métal MetalFAB1 L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ? La visite d’Édouard Philippe et de Bruno Le Maire en images Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme

La stratégie de MECABESS pour l’Industrie du futur

Jean-Michel Sanchez, le dirigeant de la société MECABESS, témoigne dans une vidéo réalisée à l’occasion de la journée Industrie du futur de l’importance de la fabrication additive métallique pour l’avenir de son entreprise.

Actuellement, MECABESS se sert de la fusion laser sur lit de poudre -le procédé de fabrication additive utilisé dans le programme SUPCHAD- pour tester le texturing, la conception de pièces creuses et celle de canalisations coudées. L’entreprise compte ainsi étendre son champs d’action après s’être fait connaître comme spécialiste de l’usinage, du tournage et du fraisage. À terme, J-M Sanchez espère pouvoir proposer à ses clients des produits que ces derniers ne pouvaient pas sous-traiter ni produire eux-même avant. Cet objectif est important pour le dirigeant puisque lors de l’inauguration du programme SUPCHAD, il avait déjà déclaré vouloir « aller beaucoup plus en amont » avec ses clients.

Dans cette interview, Jean-Michel Sanchez témoigne de la capacité de la fabrication additive à libérer la créativité des designers. Il évoque également la complexité des pièces, leurs coûts de revient et comment grâce à tout cela il espère guider son entreprise vers l’industrie du futur.

SUPCHAD

SUPCHAD est un programme de R&D, de montée en compétence et de mise à disposition de moyens technologiques qui regroupe 10 entreprises.

Parmi elles, MECABESS explore les possibilités offertes par la fabrication additive métallique.

 

Découvrir SUPCHAD

 

Formule 1 : Alfa Romeo fait l’acquisition d’une 3ème imprimante 3D métal MetalFAB1 L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ? La visite d’Édouard Philippe et de Bruno Le Maire en images Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme

Transfert technologique et réunions d’informations techniques 2017

072Agenda prévisonnel 2017

Janvier

 

  • Réunion de lancement du projet de deuxième plateforme de fabrication additive métallique sur Bourges – 19/01/2017 de 14h à 16h à Bourges – Informations et inscriptions
  • Rendez-vous de la mécanique  » Alliages d’aluminium et procédés: Nuances, mise en œuvre, traitements : les dernières avancées  » – 26/01/2017 de 14h à 17h30 à Orléans (45) – Programme et inscriptions
Mars
  • Rendez-vous de la mécanique  » Surveillance des infrastructures, process et procédés » – 28/03/2017 de 14h à 18h à Rians (18)
Juin
  • Rendez-vous de la mécanique  » Robots collaboratifs« 
Octobre
  • Rendez-vous de la mécanique « Composites thermoplastiques » – 05/10/2017 à Joué-les-Tours (37)
  • Pérennité des installations en acier inoxydable dans les industries de process
Formule 1 : Alfa Romeo fait l’acquisition d’une 3ème imprimante 3D métal MetalFAB1 L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ? La visite d’Édouard Philippe et de Bruno Le Maire en images Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme

Fabrication additive: En route pour une deuxième plateforme partagée

Réunion d’échanges pour le futur projet de plateforme de fabrication additive 2018/2020

Le Jeudi 19 janvier de 14h à 16h au Cetim-Certec à Bourges (18)

Après plusieurs années de préparation, il y a un an, démarrait la plateforme de fabrication additive SUPCHAD visant à accompagner des industriels dans l’intégration de ce nouveau procédé de fabrication dans leurs possibilités de production.

Matières premières, maîtrise de la conception de pièces adaptées, maîtrise du procédé de fabrication et des phénomènes inhérents au procédé, Post-traitements thermiques, finition et traitement de surface : un programme complet de formation, de R&D et d’essais qui ont permis à des industriels, qu’ils soient sous-traitants ou grands donneurs d’ordre, de s’approprier cette nouvelle technique de production et les possibilités qu’elle offre.

Afin de préparer la suite de ce projet, que nous souhaitons rendre accessible à toute entreprise désireuse de voir si la fabrication additive peut s’intégrer dans son activité et sa stratégie, nous organisons une réunion où seront présents les participants de la plateforme SUPCHAD ainsi que tous les industriels désireux de se renseigner sur les opportunités offertes par cette technologie en plein essor.

A l’issue de cette réunion, les entreprises intéressées pourront postuler pour rejoindre le projet dont le démarrage est prévu en janvier 2018.

 

 

Renseignements & Inscriptions à SUPCHAD II

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Moyens de développement, d’essai et d’analyse du CETIM CERTEC

Donnez-vous les moyens de vos développements!

Même si la principale richesse du CETIM CERTEC est son équipe d’experts en mécanique et matériaux métalliques, la présentation des moyens de développement et d’analyse dont ils disposent est importante appuyer leur potentiel à accompagner vos développements.

Localisés en Région Centre-Val de Loire, sur Bourges et Orléans, ces équipements et outils sont à votre disposition pour répondre à vos problématiques de conception, de validation, de contrôle et d’analyse.

Moyens à votre disposition :

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Contactez-nous!

Analyses de défaillance et contrôles métallurgiques

Conception mécanique

Moyens d’Essais

Essais d’endurance
Essais de corrosion
Essais climatiques
Essais de serrage

Fabrication additive métallique

Soudage

Métrologie dimensionnelle

Analyses de défaillance et contrôles métallurgiques :

LOUPE KEYENCESi l’œil des chargés d’affaires est l’outil essentiel, le laboratoire de métallurgie du Cetim-Certec dispose de moyens d’observation macro et microscopiques parmi lesquels :

– une loupe Keyence: microscope numérique offrant une grande profondeur de champ pour des visualisations et des mesures 3D. Cet outil permet d’observer les dégradations (rupture, usure, corrosion) mais aussi les macrographies de soudure sur coupe par exemple (mesures dimensionnelles).
– un Microscope Electronique à Balayage (MEB) permettant d’observer directement les surfaces dégradées et les faciès de rupture à un fort grossissement (jusqu’à x100.000). Il est associé à une sonde de microanalyses (EDX) permettant de déterminer la constitution chimique élémentaire (par exemple pour les produits de corrosion ou l’identification de particules, etc..).

Spécialisés dans l’analyse des défaillances et le contrôle métallurgique, nos chargés d’affaires du laboratoire disposent également des moyens de :
– prélèvement, découpe (tronçonneuses sous lubrification)
– préparation métallographique (enrobeuses et polisseuse automatique)
– d’attaque par réactif chimique
– d’observations métallographiques (microscope optique x1000)
MEB– de traitements thermiques (fours de laboratoire)
– de mesure de dureté (essais Vickers, Rockwell et Brinell).

Souvent amenés à intervenir sur site, les métallurgistes disposent également de moyens d’observation et de prélèvement portatifs pour intervenir sur les structures ne pouvant être déplacée en laboratoire.

Contact : Lionel Fouquet – Tél. : 02 48 48 01 11
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Conception mécanique :

L’unité conception calcul du Cetim-Certec, pilotée par des ingénieurs mécaniciens expérimentés, est équipé des moyens logiciels et de prototypage rapide pour Image13accompagner vos développements mécaniques depuis la faisabilité jusqu’à la validation de vos pièces et ensembles mécaniques.

TDC Need pour la réalisation des analyses fonctionnelles qui permettront de fiabiliser vos projets de conception dès le démarrage de vos projets
Catia V5, Solidworks 2016 et Créo 3 (ex Pro engineer) pour la phase conception
Solidworks similation et Créo simulate pour la validation par calcul et l’optimisation des structures

Spécialistes de la chaîne numérique et de la conception en vue de fabrication additive des outils spécifiques viennent compléter le panel des moyens logiciels :

Geomagic, pour le traitement des fichiers numériques issus de scan 3D

Sortiie directe su scanner

Fichier 3D issu du scan 3D

Altair Inspire optistructure, pour l’optimisation topologique

Spécialiste du prototypage rapide et de la fabrication additive depuis plus de 10 ans , le CETIM CERTEC dispose d’un équipement de fabrication additive polymère (PA12) pour réaliser les prototypes polymères des développements qui lui sont confiés :

Contact – Pascal Sabourin – Tél.: 02 48 48 01 11

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Moyens d’Essais

 

Essais d’endurance:

003Le laboratoire d’essais mécaniques dispose d’un espace de plus de 500 m2 et d’une quarantaine de bancs dédiés à la mise en œuvre d’essais d’endurance pour les produits de quincaillerie et les portes et portails. Le laboratoire est accrédité COFRAC (n°1-5545) et certifié Afnor pour ces domaines.

Ces bancs pneumatiques sont conçus et mis en application selon les normes de référence des domaines précités. Ils ont pour objectif de valider la capacité de fonctionnement des équipements et leur résistance à la manœuvre répétée (jusqu’à plusieurs millions).

Ils permettent de réaliser :

– Des essais de qualification de produits industriels en vue du marquage NF/CE
cofrac– Des essais de contrôle de production usine (CPU)

Exemples de produits testés :

Produits de quincaillerie
: Fermetures anti-panique (fap), fermetures d’urgence (fu), serrures, béquilles (poignées), ferme-portes, retenues électromagnétiques (ventouses), charnières, paumelles,…
certification_portes_et_portailsPortes et portails : Hauteur maximum 2500 mm

Contact: Jérémy Lanne – Tél.: 02 48 48 01 11

Essais de corrosion:

Les essais de corrosion sont réalisés dans un équipement de brouillard salin dont les caractéristiques sont :

– Dimensions : 1000 x 600 x 500 mm
Ph neutre

Contact: Jérémy Lanne – Tél.: 02 48 48 01 11

Essais climatiques :

Le laboratoire dispose d’une enceinte climatique avec contrôle de l’hydrométrie dont les caractéristiques sont les suivantes :

– Plage de température : -40°C à +180°C
– Dimensions : 800 x 800 x 800 mm

Contact: Jérémy Lanne – Tél.: 02 48 48 01 11

Essais de serrage :

banc d'essai de serrageLe CETIM CERTEC dispose depuis le début de l’année 2016 d’un banc de serrage permettant de contrôler et de déterminer pour les éléments de visserie :

– Le coefficient de rendement du couple (K)
– les coefficients de frottement (total, entre filetage, entre surfaces d’appui)
– La force de serrage à la limite élastique (Fy)
– Le couple de serrage à la limite élastique (Ty)
– La force de serrage à la charge de rupture (Fu)

Ce type d’essai permet de valider la bonne réponse aux exigences qualité des donneurs pour leurs assemblages boulonnés ou, par exemple, de déterminer l’impact d’un lubrifiant ou d’un auto freinage.

Contact: Lionel Fouquet – Tél.: 02 48 48 01 11

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Fabrication additive métallique:

Image17Mise en place début 2016, la plateforme de fabrication additive Supchad, permet au CETIM CERTEC de disposer d’un équipement de fabrication additive métallique :

SLM 280 HL (SLM Solution) :

Fusion laser sur lit de poudreIMG_20151126_083037
– Volume de fabrication de 280 x 280 x 300
– Puissance laser 400W
– Matériaux : alliages d’aluminium et aciers

Partagée entre différents partenaires industriels, cette plateforme a pour objectif d’accompagner la montée en compétence des industriels sur cette nouvelle technique de fabrication.
Le process de fabrication additive s’étend bien au-delà de la seul machine de fabrication, la plateforme comporte plusieurs équipements complémentaires et notamment :

Image16Magics : Logiciel de préparation des fabrications pour la construction des supports indispensables à la fabrication
– Un four de traitement thermique (Nabertherm) pour le détentionnement des pièces en fin de fabrication

Contact: Sébastien Pillot – Tél.: 02 48 48 01 11

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Soudage:

Afin d’assurer ses missions d’accompagnement des entreprises pour l’amélioration de la qualité et de la productivité de leurs productions mécano-soudées, l’ingénieur soudeur du CETIM CERTEC dispose d’équipements de contrôle et de mesure comme :

certifications soudage– Un appareil de mesure de températures par contact
– Un mesureur d’épaisseurs par ultrasons,
– Une valise d’échantillons visio tactile de soudures,
– Un mesureur de fuites de gaz par émission acoustique,
– Un magnétoscope articulé et une lampe UV pour les CND par magnétoscopie,
– Des produits de ressuage,
– … et un grand réseau de partenaires pour un accès à tous les moyens qui lui sont nécessaire pour mener à bien ses missions !

Contact: Yves Royer – Tél.: 02 48 48 01 11

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Banc sip 302MMétrologie dimensionnelle:


Completing last master piece puzzleAccrédité Cofrac
(n° 2-1814) pour l’étalonnage des moyens de mesure dimensionnelle et spécialiste du retrofit (numérisation) des bancs de longueur SIP, le laboratoire de métrologie du CETIM CERTEC de 2 moyens spécifiques pour asseoir son expertise :

– Des bancs de longueur de référence : SIP 1002M et SIP 302M
– Un interféromètre laser

Ces équipements sont utilisés pour les prestations d’étalonnage et la mise au point des kits de rétrofit avant la mise en place sur les bancs clients.

Contact: Pascal Bouche – Tél.: 02 48 48 01 11
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Formule 1 : Alfa Romeo fait l’acquisition d’une 3ème imprimante 3D métal MetalFAB1 L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ? La visite d’Édouard Philippe et de Bruno Le Maire en images Les métaux : cibles privilégiées du protectionnisme