Generalites sur les procedes laser

GENERALITES SUR LES PROCEDES LASER

La fabrication additive fait partie des procédés de transformation des matériaux par laser, au même titre que le soudage, la découpe ou les traitements de surface.

LES PROPRIETES DU RAYONNEMENT LASER 

Chronologiquement, le premier laser optique est mis au point en 1960 par T. Maiman dans les laboratoires de la Hughes Aircraft Company à Malibu [MAIMAN 1960], mettant ainsi en application la théorie d’A. Einstein [EINSTEIN 1917] sur la production de lumière par émission stimulée. Le mot LASER est l’acronyme de «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation », qui après traduction signifie : amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement. Les propriétés bien spécifiques du rayonnement laser, et les applications qui ont suivi sur les cinquante années passées, en font aujourd’hui un outil précieux dans toutes les composantes de la société. Techniquement, l’émission d’une lumière laser est basée sur deux composants principaux : (1) une cavité résonante (ou résonateur) composée d’un système de pompage, d’un milieu actif, et deux miroirs (dont un semi-réfléchissant) et (2) un amplificateur optique …

GENERALITES SUR L’INTERACTION LASER-MATIERE DANS LES METAUX ET LES EFFETS INDUITS

L’absorption du rayonnement laser dépend essentiellement de la nature du matériau éclairé (transparent ou opaque), la longueur d’onde λ du rayonnement, et différents facteurs tout aussi essentiels comme l’état de surface (rugosité, état d’oxydation), la température de surface, ou l’angle relatif entre la surface et le rayonnement incident. Au final, même si l’on peut tracer des graphes représentant l’absorptivité en fonction de la longueur d’onde laser pour différentes classes de métaux purs, il est difficile de prédire avec certitude l’absorptivité d’une surface métallique, à partir de données bibliographiques, et il est souvent nécessaire de déterminer cette absorptivité par la mesure directe du rayonnement réfléchi (mesures par sphères intégrantes d’Ulbricht). Sur les métaux, l’absorption de l’onde électromagnétique est généralement décrite par le modèle de collisions photons – électrons de Drude [FABBRO 2010] et se produit sur des profondeurs inférieures à 0.1 µm. On pourra donc toujours considérer cette absorption comme superficielle, contrairement à l’absorption laser sur les polymères, qui peut intervenir sur plusieurs millimètres.

Enfin, le temps d’interaction laser-matière τi, qui conditionne l’échauffement de cette dernière peut être défini de façon différente selon que l’interaction a lieu en régime continu ou pulsé. Ainsi, en régime pulsé, si V, la vitesse de défilement relative de la pièce par rapport au faisceau laser, est faible, on pourra considérer que τi est égal à la durée des impulsions τ, éventuellement multipliée par le nombre d’impulsions Ni cumulées en un point de la surface à fréquence f (Ni = Dlaser/(V.T) avec T=1/f et Dlaser = diamètre du faisceau). Dans le cas de l’utilisation d’un laser continu, on obtient une irradiation transitoire d’un élément de surface, en déplaçant la zone d’interaction à vitesse V sur la surface de la pièce. Si la dimension caractéristique de cette zone est D (le diamètre du faisceau) et que la vitesse de défilement est V, chaque élément de la surface est éclairé par le faisceau laser d’intensité I pendant un temps caractéristique τi ≈ Dlaser/V [FABBRO 2010].

Dans ces conditions, la fusion d’une surface par laser met en jeu des cinétiques rapides, avec des vitesses de refroidissement Vs=dT / dt qui s’échelonnent entre 102 K/s et 10 K/s, voire plus en impulsions ultra-brèves (fs, as). En dessous d’une certaine durée d’impulsion (cas du micro-usinage par laser femto-seconde), les procédés laser sont dits athermiques car les longueurs caractéristiques de diffusion thermique sont quasiment indétectables avec les moyens d’analyse conventionnels. Cependant, dans la plupart des procédés plus conventionnels, l’interaction laser matière va entraîner la formation d’une zone fondue de taille caractéristique généralement comprise entre 10 µm et 10 mm et, sur certains matériaux, d’une zone affectée thermiquement (ZAT) sous-jacente correspondant à des transformations métallurgiques à l’état solide (cas des alliages d’aluminium adoucis structuralement, cas des alliages de titane α/β avec formation de ZAT à la limite du transus β) .

LES DIFFERENTS PROCEDES LASER 

Les lasers offrent actuellement un champ d’applications très vaste pour de nombreux secteurs industriels : l’automobile, l’aéronautique, la microélectronique, la mécanique mais aussi le secteur médical. Le laser présente également une utilité dans des opérations variées comme la découpe, le perçage, le soudage, le marquage et le traitement de surface des matériaux

Tous ces procédés, et les régimes d’interaction associés, sont généralement regroupés dans un diagramme densité de puissance – temps d’interaction .

Le soudage laser permet d’obtenir des cordons fins et pénétrants par l’intermédiaire d’un dépôt d’énergie en volume via les parois d’un capillaire de vapeur (le « keyhole» ou trou de serrure) formé au-delà d’une densité de puissance seuil (autour de 10⁶ W/cm²). Il permet de réaliser des soudures d’épaisseur proche de 10 mm en une seule passe, ou de plusieurs centimètres en multi-passes, et à des vitesses bien supérieures aux procédés à l’arc. Le caractère très localisé du dépôt d’énergie laser (typiquement < 1 mm) présente également l’intérêt de limiter les distorsions des pièces soudées. Les évolutions récentes du procédé comme le « remote welding », utilisant des têtes galvanométriques, permettent d’atteindre des vitesses de soudage élevées (> 10 m/min), au risque d’entraîner des instabilités géométriques, comme le « humping ».

La découpe laser offre la possibilité de générer des saignées débouchantes dans les matériaux métalliques, grâce à l’éjection du métal fondu en régime keyhole, et d’un jet de gaz réactif (CO2, O2) ou non (Ar, He). La gamme d’applications est assez vaste : depuis des faibles épaisseurs (< 2 mm), la grande majorité des applications actuelles, jusqu’à des épaisseurs de plusieurs centimètres d’acier comme, par exemple, celles concernant le démantèlement des centrales nucléaires.

Par rapport aux deux procédés précédents qui peuvent être appliqués en régime continu ou pulsé, le procédé de perçage laser est exclusivement mis en œuvre en régime pulsé, en raison des densités de puissance élevées requises (> 10⁷ W/cm²). Dans ces conditions, la matière est en grande partie vaporisée, et éjectée par le gaz d’assistance. On parle alors de perçage par percussion (la matière est percée en statique = cas des trous de refroidissement dans les aubages aéronautiques [SCHNEIDER 2007], ou de perçage par trépanation = le laser suit une trajectoire préprogrammée pour enlever un volume de matière beaucoup plus important que la taille du faisceau).

Le marquage laser correspond à l’application la plus largement répandue des procédés laser à « haute densité de puissance »… Par interaction du rayonnement laser avec la surface, il permet d’imprimer des textes ou des images sur n’importe quel type de surface, soit par ablation d’un revêtement, par réaction chimique localisée (oxydation suivie d’un changement de couleur), ou par gravure (cas des polymères) …

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
I.1. INTRODUCTION
I.2. GENERALITES SUR LES PROCEDES LASER
I.2.1. Les propriétés du rayonnement laser
I.2.2. Généralités sur l’interaction laser-matière dans les métaux et les effets induits
I.2.3. Les différents procédés laser
I.2.4. Hydrodynamique des zones fondues par laser
I.2.5. La viscosité dynamique et la tension superficielle
I.2.6. Les régimes d’écoulement fluides
I.2.7. La convection thermocapillaire de Marangoni
I.3. LA FABRICATION ADDITIVE PAR LASER
I.3.1. Les différents procédés de fabrication additive
I.3.2. La fusion sélective par laser (FSL)
I.3.3. La fabrication directe par projection laser (FDPL)
I.4. CONTEXTE DE LA THESE : LES PROBLEMES D’ETATS DE SURFACE EN FABRICATION DIRECTE PAR PROJECTION LASER
I.4.1. Résultats antérieurs
I.5. BILAN ET OBJECTIFS DE LA THESE
CHAPITRE II : CONDITIONS EXPERIMENTALES ET MATERIAUX UTILISES
II.1. INTRODUCTION
II.2. MISE EN ŒUVRE DU PROCEDE DE FDPL.
II.2.1. Présentation du poste expérimental
II.2.2. Caractérisation du faisceau laser et du jet de poudre
II.3. TECHNIQUES UTILISEES POUR L’ANALYSE DES MURS ELABORES PAR FDPL
II.3.1. Analyse macrographique des surfaces
II.3.2. Caractérisations géométriques des surfaces par profilomètrie à stylet
II.3.3. Analyse des échantillons fabriqués par microscopie électronique
II.3.4. Analyse métallographique des échantillons fabriqués
II.4. LES MATERIAUX DE L’ETUDE
II.4.1. Propriétés du Ti-6Al-4V (TA6V)
II.4.2. Propriétés de l’acier inoxydable 316L
II.5. LE MODELE NUMERIQUE UTILISE
II.6. CONCLUSIONS
CHAPITRE III : FABRICATION DIRECTE PAR PROJECTION LASER DU TI-6AL-4V EN REGIME CONTINU
III.1. INTRODUCTION
III.2. ETUDE DE L’INTERACTION POUDRE / LASER / BAIN LIQUIDE (BL)
III.2.1. calcul de la température des poudres projetées
III.2.2. Evolution des dimensions apparentes de la zone fondue
III.2.3. Comportement et propriétés des zones fondues
III.3. ANALYSE DES HAUTEURS PAR COUCHE ET DU RENDEMENT MASSIQUE
III.3.1. Evolution des hauteurs par couche
III.3.2. Calcul des rendements massiques Rm et des hauteurs par couche
III.4. ETATS DE SURFACES DES MURS GENERES PAR FDPL
III.4.1. Analyse et classification des défauts de surface
III.4.2. effet du taux d’oxydation sur l’état de surface
III.4.3. Influence des paramètres du premier ordre (P, V, Dm) sur les états de surface
III.4.4. Effet de la granulométrie et de l’état de la poudre
III.4.5. influence de la distribution spatiale de puissance laser
III.4.6. Influence de la nature du gaz de protection
III.4.7. Influence de la défocalisation du jet de poudre
III.4.8. Autres paramètres
III.5. MODELE ANALYTIQUE DE PREDICTION DES ETATS DE SURFACE
III.6. INFLUENCE D’UNE REFUSION LASER
III.7. ANALYSE METALLURGIQUE DES MURS
III.7.1. Microstructures colonnaires ou équiaxes
III.7.2. Etude de la microdureté Vickers
III.7.3. Composition chimique des murs
III.8. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE IV : FABRICATION DIRECTE PAR PROJECTION LASER DU TI-6AL-4V EN REGIME PULSE
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. CONDITIONS OPERATOIRES
IV.3. ANALYSE DES ZONES FONDUES
IV.3.1. Etude des dimensions extérieures de la zone fondue par caméra rapide
IV.3.2. Etude de la dynamique des zones fondues
IV.3.3. Etude des dimensions de la zone fondue F par coupe métallographique
IV.4. MESURE DES TEMPERATURES EN ZONE FONDUE
IV.5. ANALYSE DES ETATS DE SURFACES
IV.5.1. Influence du rapport cyclique et de la puissance moyenne
IV.5.2. Influence de la distribution de puissance laser en régime pulsé
IV.6. DISCUSSION : APPORT DU REGIME PULSE
IV.7. CONCLUSIONS
CHAPITRE V : FABRICATION DIRECTE PAR PROJECTION LASER DE L’ACIER 316L
V.1. INTRODUCTION
V.2. CONDITIONS OPERATOIRES
V.3. ANALYSE DES ZONES FONDUES
V.3.1. Etude des dimensions extérieures de la zone fondue par caméra rapide
V.3.2. Etude de la dynamique des zones fondues
V.3.3. Etude des dimensions de la zone fondue par coupe métallographique
V.4. ETUDE DES RENDEMENTS ET DES HAUTEURS PAR COUCHE
V.5. MESURE DES TEMPERATURES EN ZONE FONDUE
V.5.1. Pyrométrie spectrale
V.5.1. Pyrométrie 2D à bande spectrale
V.6. ANALYSE DES ETATS DE SURFACES
V.6.1. Analyse et classification des défauts de surface
V.6.2. Evolution des états de surface en fonction des paramètres du procédé
V.7. DISCUSSION : INFLUENCE DU MATERIAU SUR LA FORMATION DES ETATS DE SURFACE
V.8. CONCLUSIONS
CONCLUSIONS GENERALES
ANNEXES

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