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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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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 …)

 

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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