Process optimization of metal 3D printing through thermographic analysis of the melt pool

Résumé

La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est l'une des technologies de fabrication additive métallique les plus utilisées dans l'industrie, mais la qualité des pièces fabriquées demeure fortement dépendante des paramètres du procédé et de leur effet sur le bain de fusion. Étant donné que la géométrie et la distribution de température du bain de fusion déterminent directement la formation de défauts, les contraintes résiduelles et la microstructure, leur caractérisation fiable in situ est essentielle tant pour le développement du procédé que pour l'assurance qualité. Parmi les techniques de surveillance disponibles, les caméras thermiques offrent l'accès le plus direct à la surface du bain de fusion ; toutefois, les systèmes monochromatiques nécessitent une connaissance préalable de l'émissivité du matériau, une propriété qui ne peut être déterminée de manière fiable par un facteur unique dans les conditions transitoires et multiphasiques du procédé LPBF. Même les caméras bichromatiques, qui éliminent en principe la dépendance à l'émissivité par le rapport des luminances spectrales à deux longueurs d'onde, reposent en pratique sur des calibrations réalisées à l'aide de lampes à filament de tungstène dont les caractéristiques spectrales diffèrent significativement de celles d'un bain de fusion métallique formé par laser, produisant des lectures de température physiquement incohérentes lorsqu'elles sont appliquées aux conditions LPBF. Ces limitations ont jusqu'à présent confiné la plupart des systèmes d'imagerie thermique à une observation qualitative du procédé plutôt qu'à une caractérisation quantitative du bain de fusion. Cette thèse développe et valide une méthodologie de surveillance quantitative in situ du bain de fusion à l'aide d'une caméra thermique infrarouge bichromatique calibrée par métallographie ex situ de cordons unitaires. L'approche bichromatique élimine le besoin de caractérisation de l'émissivité en utilisant le rapport des luminances spectrales mesurées à deux longueurs d'onde (725 et 900 nm), tandis que la métallographie fournit des mesures indépendantes de largeur du bain de fusion servant à la fois de référence de calibration et de validation croisée. La calibration en cours de procédé, basée sur les températures de liquidus connues de cinq matériaux (316L, IN625, CoCr, W et Mo), a révélé des écarts de température allant jusqu'à 450 °C par rapport à la calibration par filament de tungstène, confirmant que la calibration commerciale ne permettait pas de convertir de manière fiable la luminance émise en température. La méthodologie complète, combinant imagerie thermique calibrée et validation métallographique, est dans un premier temps appliquée à trois alliages (316L, IN625 et CoCr) sur une large gamme de puissances laser et de vitesses de balayage sur un système d’impression EOS M280, puis validée sur le Ti-6Al-4V. La caméra calibrée permet l'extraction de la largeur, de la longueur et de la température de surface du bain de fusion de manière indépendante de l'émissivité, avec une validation croisée entre les mesures de largeur par caméra et par métallographie présentant des écarts de seulement 6 à 9 % pour l'ensemble des matériaux. Combiné aux données de profondeur de bain de fusion métallographiques, ce dispositif fournit un jeu de données tridimensionnel complet du bain de fusion, utilisé pour évaluer la fiabilité d'un modèle analytique de conduction thermique. Le modèle s'est avéré fiable pour la prédiction des dimensions de surface dans le régime de fusion par conduction (R²adj globale > 0,70 pour la longueur, > 0,52 pour la largeur), mais sous-estime systématiquement la profondeur du bain de fusion dans le régime en trou de serrure en raison de la non-prise en compte de la pression de recul et de la dynamique de la vapeur, avec une déviation linéaire constante (pente ≈ 0,30) observée pour les trois matériaux.

Date	21 août 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Alena Kreitcberg (Directeur(-trice)) & Vladimir Brailovski (Codirecteur(-trice))