La fusion laser sur lit de poudre (FLLP) est un procédé de fabrication additive en pleine expansion, qui se base sur la mise en forme d’une pièce par empilement de couches successives de poudre métallique. Avec le procédé FLLP, chaque couche de la pièce est consolidée en utilisant un laser à haute puissance qui fusionne d’une façon sélective les particules étalées du lit de poudre; ensuite, un racleur répand uniformément une nouvelle couche de poudre par-dessus celle préalablement fusionnée pour créer la couche suivante et ainsi de suite, jusqu’à ce que toute la pièce soit fabriquée.
Les performances du procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, en plus des paramètres d’impression et des caractéristiques du matériau utilisé, dépendent grandement des propriétés du lit de poudre étalée, notamment, en termes de densité et d’uniformité. Les propriétés du lit de poudre résultent de l’interaction entre les propriétés intrinsèques des particules, le mécanisme de raclage et les paramètres d’étalement utilisés. Par conséquent, une évaluation précise des caractéristiques de la poudre et une profonde compréhension de son comportement mécanique au cours de son étalement deviennent importantes. Une telle évaluation implique notamment la caractérisation des propriétés d’écoulement de la poudre et de leurs impacts sur les performances du procédé FLLP.
Cette thèse présente, sous la forme de trois articles scientifiques, la réalisation d’une démarche visant : à comprendre le lien entre les caractéristiques intrinsèques de la poudre, ses propriétés d’écoulement et les performances du procédé FLLP; et à proposer une nouvelle technique de caractérisation de la poudre capable d’évaluer des métriques d’intérêt pertinentes au procédé de fabrication additive sur lit de poudre.
Dans un premier temps, une étude exhaustive fut menée sur trois lots de poudres de Ti-6Al4V sélectionnés de façon à pouvoir étudier l’impact de la sphéricité (poudre atomisée au plasma vs poudre atomisée au gaz) et de la distribution de taille des particules (poudre avec plus de particules fines vs poudre avec moins de particules fines) sur plusieurs grandeurs d’intérêt, à savoir, les performances rhéologiques des poudres avant la fabrication vs les propriétés géométriques et mécaniques des pièces fabriquées avec ces poudres par FLLP.
Premièrement, en utilisant les indices rhéologiques mesurables à l’aide d’un rhéomètre FT4 (résistance à l’écoulement dynamique, cohésion, compressibilité, perméabilité…), une figure de mérite a été proposée pour quantifier la pertinence globale d’une poudre donnée au procédé FLLP. Ensuite, les mêmes lots de poudre ont été utilisés pour fabriquer une série d’échantillons de tests pour étudier l’impact des caractéristiques des poudres sélectionnées sur les propriétés des pièces imprimées (densité, fini de surface, limites de fabrication, propriétés mécaniques statiques), et ce, pour deux épaisseurs de couche, deux posttraitements et deux orientations de fabrication. Pour pousser l’investigation plus loin, une étude de performance en fatigue des échantillons produits avec deux des trois lots de poudre sélectionnés plus tôt, à savoir la poudre atomisée au plasma vs la poudre atomisée au gaz, fut menée.
Somme toute, les différences relativement minimes entre les morphologies des trois lots de poudre se sont avérées très significatives au niveau de leurs performances rhéologiques (15% en moyenne), de rugosité de surface (a14%) et de précision dimensionnelle (a24%) des échantillons imprimés. Cependant, en ce qui concerne les propriétés mécaniques des échantillons imprimés, ces différences étaient faibles pour les propriétés statiques (a7% pour la limite à la rupture, a4%, pour la limite d’élasticité et a3%, pour l’élongation à la rupture) pour finalement s’estomper, pour les propriétés en fatigue (a450 MPa, N=107 ). Cette diminution de l’impact de la morphologie des poudres dans un stade avancé du procédé peut être expliquée par la robustesse de ce procédé aux faibles variations morphologiques entre les lots. Toutefois, l’analyse des défauts par microtomographie a démontré la présence de pores alignés dans les échantillons fabriqués avec une des poudres indiquant l’utilisation de paramètres d’impression sous optimaux. D’où l’importance de l’optimisation des paramètres de fabrication pour les différents lots de poudre mêmes si la différence morphologiques des particules semble minime. Cette optimisation peut être réalisée grâce à des logiciels de simulation du bain de fusion du procédé FLLP. En connaissant que les caractéristiques du bain de fusion dépendent non seulement des paramètres laser (puissance, vitesse de balayage, distance entre les passes…), mais aussi des interactions laser-matière et, par conséquent, des propriétés du lit de poudre (densité, uniformité, rugosité de surface), il est important de pouvoir quantifier ces dernières. Néanmoins, les techniques conventionnelles de caractérisation des poudres ne sont pas en adéquation avec les métriques représentatives des propriétés d’un lit de poudre étalée.
Pour pouvoir répondre aux besoins exprimés plus haut et étant donné que les propriétés d’écoulement des poudres dépendent grandement des conditions imposées par l’application, un banc d’essai reproduisant le système d’étalement d’une machine industrielle typique, est développé et présenté dans ces travaux. Ce banc d’essai permet à l’opérateur de contrôler les paramètres d’étalement, notamment les incréments des différentes plateformes, la vitesse de raclage ainsi que le mécanisme d’étalement. Le banc d’essai permet aussi d’évaluer la densité du lit de poudre étalé à l’aide des cellules de charge installées sous la plaque de déposition. D’autre part, un système d’imagerie installé au-dessus de la plateforme d’étalement permet d’évaluer le profil de surface et ainsi l’uniformité et la variation du profil de surface du lit de poudre. Les forces d’étalement sont aussi évaluées en mesurant les variations de couple au niveau de l’actuateur du mécanisme de raclage. Une étude de cas est présentée pour montrer les capacités du banc d’essai développé. L’architecture fermée des machines commerciales, les conditions extrêmes dans une chambre de fabrication, le volume conséquent de poudre requise et les coûts élevés associés aux impressions limitent grandement les études se focalisant sur les propriétés rhéologiques des poudres d’où l’intérêt d’avoir accès à un outil instrumenté permettant de tester aisément différentes configurations d’étalement en évaluant plusieurs métriques d’intérêt dans le but d’optimiser l’opération d’étalement et diminuer le temps de sélection et de contrôle qualité de poudres destinées au procédé FLLP.
| Date | 21 août 2023 |
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| langue originale | Français |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Vladimir Brailovski (Directeur(-trice)) |
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