La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire

Dédiée à la fabrication additive métallique, Une nouvelle UPDP du Cetim Centre-Val de Loire s’installe à Bourges. Objectif : contribuer au déploiement de moyens au bénéfice des entreprises permettant, à terme, l’acquisition de technologies de l’industrie du futur dans le territoire.

Lauréat de l’appel à projet Inno avenir filières de la région Centre-Val de Loire, la nouvelle Unité pilote à dispositif partagé (UPDP) Famad s’installe à Bourges (Cher). Déclinaison territoriale du programme des investissements d’avenir (PIA), Inno avenir filières vise le renforcement de la compétitivité des filières stratégiques régionales. Il soutient en particulier la création d’unités industrielles partagées permettant à des entreprises ayant une même vision marché de mutualiser leurs investissements ou de bénéficier d’un accès à des moyens ouverts, ainsi que la mise en commun de compétences techniques pour mutualiser leurs travaux de R&D, entre autres.

Après Supchad 1 et 2 (Supply chain aéronautique et défense), projets dédiés à l’accompagnement des industriels dans la prise en main de la fabrication additive, le Cetim Centre-Val de Loire voit ainsi son nouveau programme de développement technologique partagé et mutualisé entre industriels incluant des formations s’inscrire dans la dynamique régionale. 3,5 millions d’euros sont dédiés à ce projet sur trois ans. Financés par le Fonds européen de développement régional (Feder) et par le PIA3 (programme d’investissement d’avenir cofinancé par l’État et la Région), il associe l’UIMM pôle formation, l’Insa Centre-Val de Loire et Polytech Orléans.

 

Inscrire une dynamique dans les territoires

Situé sur l’un des neuf « territoires d’industrie » labellisés de la région, FAMAD s’inscrit dans la dynamique initiée par le Cetim permettant de favoriser le déploiement de l’industrie du futur par la diffusion, l’appropriation et l’intégration de ses technologies dans les ateliers des PMI et ETI. Sa mise en place a en effet pour finalité une montée en compétence progressive des entreprises pour optimiser leurs procédés de production. Elles ont par ailleurs accès à un accompagnement personnalisé et confidentiel pour le développement de projets et de pièces.

La plateforme vise par ailleurs à rassembler des industriels de la défense et de l’aéronautique, secteurs très présents dans la région, et aussi les autres industriels souhaitant tirer profit de ces nouvelles technologies. S’appuyant sur le procédé de fusion laser sur lit de poudre et un second plus récent de friction-pression sans fusion dénommée Meld, elle met principalement en œuvre des alliages d’aluminium et des aciers inoxydables. FAMAD constitue une opportunité pour les industriels d’appréhender l’ensemble de la chaîne de valeur et doit intégrer à terme plusieurs groupes constitués en fonction de leur maturité.

Retrouvez également les fondamentaux de la fabrication additive dans l’ouvrage publié par le Cetim et Techniques de l’ingénieur.

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

Les alliages d’aluminium nanostructurés

Introduction

Les alliages nanostructurés présentent une structure à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire une taille de grain inférieure à 1 μm, généralement de l’ordre de 100 à 500 nm pour les alliages d’aluminium. Pour comparaison, la taille de grain classique sur les alliages corroyés est de l’ordre de 10 à 100 μm.

En comparaison aux alliages d’aluminium obtenus par des procédés « classiques », ces alliages présentent des caractéristiques mécaniques améliorées, une dureté plus élevée qui permet une meilleure résistance à l’abrasion, leur fine microstructure permet l’obtention d’un très bon aspect de surface après polissage et leur conductivité thermique est améliorée.

 

Procédés d’obtention

Les procédés d’obtention par dépôt

  • La condensation sous gaz inerte : le métal évaporé dans un récipient rempli d’un gaz inerte se condense sous forme de fines particules, qui sont ensuite agglomérées et compactées.
  • La réalisation de dépôts électrolytiques.

Les procédés requérant une déformation plastique intense ou SPD (Severe Plastic Deformation)

Le but est d’appliquer un taux de déformation supérieur à 100 % sur le matériau en évitant que les dimensions macroscopiques des pièces ne soient affectées.

Les procédés les plus utilisés sont :

  • L’ECAP (Equal Channel Angular Pressing), qui est un procédé dérivé du filage.
  • Le HPT (High Pressure Torsion) : Le procédé consiste à placer un échantillon sous forme de disque entre deux enclumes. Une pression de 1 à 10 GPa et une torsion sont appliquées sur l’échantillon. Des taux de déformation très élevés peuvent être appliqués (typiquement 105 %), mais le cisaillement n’est pas homogène dans tout l’échantillon et il n’est pas possible de produire des pièces massives.

 

Schémas des procédés ECAP (à gauche) et HPT (à droite)

Les autres procédés de SPD sont l’ACD (Accumulative Cold Drawing) dérivé du tréfilage, L’ARB (Accumulative Roll Bonding), le CCB (Continuous Cyclic Bending) et le CGP (Constrained Groove Pressing) qui sont des procédés dérivés du laminage et la trituration.

Les procédés basés sur un refroidissement rapide du matériau ou RSP (Rapid Solidification Process)

Les vitesses de refroidissement sont généralement supérieures ou égales à 106 °C/s.

  • L’atomisation : les procédés d’atomisation sous gaz/eau sont les plus courants et permettent l’obtention de particules de poudre de dimension micrométrique.
  • La fusion laser sur lit de poudre permet également d’obtenir des alliages nanostructurés sur des alliages à composition chimique particulière, tel que le Scalmalloy.
  • Le « Melt-spinning » : un filet vertical d’aluminium en fusion est versé sur une roue en cuivre tournant à une vitesse élevée. L’aluminium refroidit de manière quasi-instantanée formant ainsi un ruban continu. Le ruban ainsi créé est découpé en flocons qui sont ensuite compactés en profilés et barres.

Schéma du procédé de melt spinning

Mécanismes de durcissement des grains et microstructure

La fine taille des grains au sein des matériaux nanostructurés engendre une densité de joins de grains élevée. Ainsi lorsque le matériau est sollicité mécaniquement, le déplacement des dislocations est d’autant plus gêné et de ce fait, les valeurs de résistance mécanique, limite élastique et dureté sont d’autant plus importantes. La ductilité des alliages d’aluminium nanostructurés est faible de par la difficulté de mouvement des dislocations, ce qui engendre de faibles valeurs d’allongement à la rupture. La fine structure du matériau modifie également les caractéristiques mécaniques dynamiques du matériau en augmentant la résistance à l’amorçage mais en dégradant la résistance à la propagation des fissures.

Les procédés RSP permettent d’obtenir une nano-structuration par l’introduction de multiples dislocations au sein des grains. Celles-ci s’organisent sous forme de cellules faiblement désorientées et au fur et à mesure que la déformation augmente, leur désorientation s’accroit, si bien que leurs parois s’apparentent à des joins de grains.

Dans le cas du procédé « melt-spinning » la solidification rapide de l’alliage augmente la solubilité des éléments d’alliage dans la matrice d’aluminium ce qui engendre une microstructure fine et homogène.

Clichés réalisés au microscope électronique à balayage de la microstructure d’un alliage d’aluminium fabriqué par RSP (à gauche) par fonderie (à droite)

 

Les alliages disponibles et l’approvisionnement

RSP Technology utilise le procédé de « melt-spinning » et peut approvisionner sous forme de rubans, flocons, billettes, bloom, profilés, et à la demande sous forme de bruts de forge et de pièces usinées. Certains alliages tels que l’AlSi40 et l’AlSi50 ne peuvent être obtenus que par ce procédé.

La plupart des alliages d’aluminium existants peuvent être mis en œuvre par les procédés de SPD. La production d’alliages d’aluminium nanostructurés sous forme de tôles et billettes semble la plus prometteuse pour des applications industrielles, malgré le coût de production élevé.

 

Caractéristiques physiques et mécaniques des alliages d’aluminium fabriqués par Melt-spinning, commercialisés par la société RSP Technology :

Propriétés mécaniques obtenues pour quelques alliages mis en oeuvre par HPT, ECAP et ARB et par des procédés de mise en oeuvre classiques :

Matériau Traitement      Rm (MPa)      Rp0,2 (MPa)    A% (%)
Al 1100 ARB (10 cycles) 330 290 4,8
H12 110 105 12
Al 6060 HPT 525 5
T6 250 8
Al 6061 HPT 690 ± 28 660 ± 21 5,5 ± 0,3
T6 365 ± 16 276 ± 14 14,0 ± 1,0
Al 6063 ECAP à 100°C 264 13
T6 200 14
Al 7075 HPT 1010 978 9,0
ECAP 720 650 8,4
T6 572 503 11

 

Domaines d’applications principaux et réalisations

  • Course automobile et R&D pour l’industrie automobile : les alliages chargés en silicium présentent un intérêt pour la réalisation de pistons et de divers éléments moteur, et permettent de fonctionner à des températures élevées. Les alliages à hautes caractéristiques mécaniques à température ambiante peuvent être utilisés comme agrafes et pièces de châssis.
  • Composants optiques et moules : la finesse de la microstructure permet d’obtenir un meilleur état de surface qu’un alliage d’aluminium obtenu par un procédé « classique ».
  • Aéronautique et défense, industrie du sport et médical : les intérêts de ces alliages sont leur bonnes caractéristiques mécaniques et leur faible densité. Typiquement, Airbus et RSP Technology ont investigué la fabrication de profilés en Scalmalloy pour les raisons précédentes, pour des applications de fabrication de raidisseurs.
  • Electronique : une application développée par Honeywell Electronic Materials concerne la fabrication de cibles par procédé ECAP pour pulvérisation cathodique.

 

Conclusion

Malgré tous les avantages des alliages d’aluminium nanostructurés, il est nécessaire de mieux comprendre la relation entre les mécanismes de durcissement et la microstructure pour trouver un bon compromis entre leurs caractéristiques mécaniques et leur ductilité, qui reste un point faible, pour tirer parti au mieux de leur potentiel.

A l’heure actuelle, peu d’entreprises mettent en œuvre ce type d’alliages de manière industrielle et la production reste cantonnée à de faibles volumes, avec un certain nombre d’étapes intermédiaires et des coûts de production élevés. L’approvisionnement de ces matériaux est donc difficile et ceux-ci sont actuellement dédiés à des utilisations de niche pour des applications de haute technologie, à forte valeur ajoutée.

 

Voici un lien vers la note de veille Cetim où vous pourrez trouver des informations plus complètes :

https://www.cetim.fr/mecatheque/Mecatheque/Veille-technologique/Note-de-Veille-alliages-d-aluminium-nanostructures

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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.

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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.

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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.
Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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

Devenez expert de la fabrication additive

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.

 

Découvrir notre savoir-faire

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

Découvrir SUPCHAD

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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.

Devenez un expert de la fabrication additive

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

 

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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

 

Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés

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
Visite Club Industrie du Futur au Cetim Centre-Val de Loire La fabrication additive investit à nouveau le Centre-Val de Loire Formations Cetim Academy : une offre large pour préparer le futur Formation FA02 : 10 nouveaux industriels formés Les alliages d’aluminium nanostructurés