La fabrication directe par fusion laser de poudre

La fabrication directe par fusion laser de poudre 

Le terme « fabrication directe » regroupe les procédés qui permettent de fabriquer des pièces directement à partir de données numériques 3D. En mars 1986, aidé par l’arrivée d’ordinateurs et de logiciels pouvant commander des machines, Hull dépose le premier brevet US4575330 pour la production de pièces tridimensionnelles par stéréolithographie et fonde la société 3D Systems Inc. En 1988, la première machine dite de prototypage rapide par stéréolithographie est commercialisée (Pandey, 2012). Ce procédé consiste à  fabriquer une pièce couche par couche par solidification spécifique de la surface libre d’un liquide photosensible (Ott, 1989). Chaque couche vient se consolider avec la précédente puis l’ensemble descend d’une épaisseur dans le bac, permettant au liquide de prendre place pour la prochaine couche. Cette méthode présente l’inconvénient de nécessiter une continuité géométrique de la pièce entre chaque couche. En effet, toute partie de la nouvelle couche doit nécessairement être en lien solide avec les précédentes, et la pièce elle-même doit être en lien avec le bac dans lequel elle est fabriquée. Un réseau tridimensionnel de liens peut donc être nécessaire, créé puis enlevé suite à la fabrication. En parallèle, dès 1987, Carl Deckard de l’université du Texas observe que les poudres polymères pouvaient être fusionnées par laser, permettant de créer des pièces de géométries complexes. Le développement des ordinateurs permet alors de commencer le développement de cette nouvelle technologie. Deckard dépose le brevet US5316580 en 1992 sur cette technologie, accepté en 1994. Cette première machine fut une révolution dans le monde de la fabrication rapide, les ventes de machines de fabrication additives connaissent une croissance importante depuis (Figure 5). En 2012, le rapport de Wohlers Associates, cabinet de conseil indépendant en développement rapide et fabrication additive, annonce une croissance annuel de 30% dans ce domaine.

Aujourd’hui, plusieurs procédés de fabrication additive à partir de modèles numériques (prototypage rapide et fabrication directe) existent (Gebhardt, 1997 – Pandey, 2012 – Yang, 2012). On distingue la fabrication par apport de matière de la fusion sélective et la stéréolithographie. La fabrication par apport de matière (dépôt de fil, projection de poudre) consiste à apporter de la matière et à la consolider en parallèle pour former la pièce. Toute la matière apportée va former la pièce finale. La refusion sélective (poudres) et la stéréolithographie (liquide) consistent à faire réagir thermiquement ou par rayonnement une partie d’un bac afin de créer une pièce couche par couche en ne sélectionnant que les zones qui seront solidifiées.

Notre étude porte sur le procédé de fabrication directe par fusion laser sélective de poudres plastiques. Les pièces sont créées couche par couche par fusion laser d’une zone spécifique d’un lit de poudre.

Cycle de fabrication

Le cycle de fabrication de pièces par ce procédé est bien décrit dans la littérature (Hopkinson et al., 2006) . Lors de la fabrication, un modèle de la pièce à fabriquer est créé numériquement avec un logiciel de conception. Le modèle numérique est exploité par le logiciel de traitement de la machine de fabrication qui va le découper en tranches successives parallèles d’épaisseur donnée et établir le balayage dans le plan du faisceau laser. Avant de commencer la fabrication, de la poudre est insérée dans les bacs d’alimentation de la machine de fabrication et quelques passes permettent d’établir une première épaisseur de poudre dans la zone de fabrication avant la conception de la pièce.

Les bacs possèdent en partie inférieure un piston mobile sur l’axe vertical afin de libérer de la poudre au niveau des bacs d’alimentation et de descendre la zone de fabrication pour permettre la création des couches successives de la pièce et son refroidissement. Deux bacs de surplus permettent de récupérer l’excédent de poudre emportée par le rouleau lors de chaque étalement. Selon les fabricants, le système d’étalement est soit un rouleau, parfois chauffé, en rotation autour de son axe dont le sens permet de pousser la poudre (sens opposé d’un mouvement de roulement sans glissement du rouleau sur la poudre lors de l’étalement), soit un racleur. Les bacs d’alimentation et de fabrication sont préchauffés à des températures différentes, un système de radiants au-dessus de la zone de fabrication (parfois au-dessus des zones d’alimentation) permet de réchauffer la poudre par rayonnement infrarouge. Le laser est placé au-dessus de la zone de fabrication et permettra, à l’aide d’un système de miroirs, de fusionner la poudre de manière spécifique en surface de la zone de fabrication. Lors de la fabrication d’une couche, la poudre est d’abord préchauffée dans le bac d’alimentation. Le premier piston d’alimentation monte afin de libérer de la poudre. Elle est déplacée à l’aide du rouleau/racleur jusqu’à la zone de fabrication. L’excédent de poudre est récupéré dans le bac de surplus. La poudre de la zone de fabrication est préchauffée par rayonnement infrarouge de radiants jusqu’à la température de consigne. Les radiants sont alors stoppés et le laser effectue la passe permettant de fondre une zone spécifique de la couche de poudre. Enfin, l’éclairement laser est interrompu et la zone de fabrication descend d’une épaisseur de couche. Couche après couche, le processus se répète jusqu’à l’obtention de la pièce finale. La présence de deux bacs d’alimentation permet de gagner du temps entre chaque cycle, afin d’éviter un retour du rouleau/racleur inutile.

A chaque nouvelle couche, la pièce descend dans le piston de fabrication dont la température est contrôlée. Le refroidissement global est ainsi maîtrisé en profondeur. A la fin de la fabrication, le bac est rempli de poudre non fondue au sein de laquelle se trouve la pièce solidifiée. Il faut alors remonter le piston de fabrication, enlever la poudre non fondue et récupérer la pièce fabriquée. Après fabrication, la poudre non fondue du bac de fabrication et la poudre excédante des bacs de surplus seront recyclées pour de futures pièces.

Études expérimentales du procédé

Introduction

Le matériau souvent pris en comparaison avec celui des pièces fusionnées par laser est le matériau dense obtenu par un procédé d’injection. Salmoria et al. (2009) proposent de regarder deux poudres (PA6 et PA12) au microscope avant et après fusion laser dans les mêmes conditions.

La densification de chacune des poudres n’est pas totale et des porosités sont visibles. Alors que le PA6 semble avoir plutôt bien fondu, on remarque que le PA12 présente des grains juste attachés entre eux, n’ayant pas eu le temps de coalescer. On voit ici que les performances des pièces obtenues par fabrication directe laser vont être très dépendantes de l’état après fusion de la poudre. De même, l’interdépendance procédé/matériau est mise en évidence.

Points clés du procédé

De la poudre à la matière densifiée, plusieurs étapes importantes ont lieu. Le choix des matériaux utilisés, le préchauffage nécessaire mais limité de la poudre et son étalement, le préchauffage de la zone de fabrication et la maîtrise de son refroidissement, le choix du laser et son action sur la fusion de la matière sont autant d’étapes à bien maîtriser. Leur description détaillée permet d’appréhender les diverses difficultés de mise en œuvre du procédé. Du fait de la multitude de paramètres intervenant dans ce procédé, la reproductibilité même des propriétés des pièces créées est difficile (Leigh, 2010 – Dupin, 2012). Un tour d’horizon sur les phénomènes de consolidation de la poudre dans le procédé de fusion laser sélective (Kruth et al., 2007 – Kruth et al., 2008 – Goodridge et al., 2012) permet de mettre en évidence les différents points abordés dans ce paragraphe.

Les poudres et leurs températures caractéristiques pour le procédé

Préchauffage dans les bacs d’alimentation
Lors d’un cycle de fabrication, de la poudre servant à créer la nouvelle tranche de pièce est apportée dans la zone de fabrication. A chaque nouvelle couche de poudre étalée, la matière fondue précédemment dans la zone de fabrication voit son cycle thermique influencé. Un refroidissement est induit par l’arrivée de la nouvelle couche, plus froide que la matière fondue (Dupin, 2012). Il est nécessaire de ne pas faire passer la matière fondue en-dessous de sa température de cristallisation afin de la maintenir à l’état liquide le plus longtemps possible. C’est pourquoi la poudre des bacs d’alimentation est préchauffée. Cependant, ce préchauffage est limité, d’une part par la température de fusion du matériau utilisé afin de ne pas induire de changement d’état, d’autre part par l’influence de la température sur la coulabilité de la poudre (Ganesan et al., 2008). Dans le cas du polyamide 12 (Pham et al., 2008), un préchauffage de l’ordre de 170-175°C (10 à 15°C en-dessous de la température de fusion du matériau) est préconisé. Le bac d’alimentation est lui maintenu à des températures de l’ordre de 80°C.

Étalement – Coulabilité des poudres
Les grains des poudres utilisées ont des diamètres moyens de 20-25 µm (Tan et al., 2003) à 250 µm (Salmoria et al., 2007). Les fabricants de poudres proposent en moyenne des poudres autour de 60-80 µm, diamètres utilisés en général dans les études sur le procédé (Wang et al., 2006 – Kim et al., 2006a – Kim et al., 2006b). Des tailles de grains de 75 à 100 µm (Shi, 2004) donnent de bons résultats en termes de densité et précision. La poudre préchauffée est étalée à l’aide d’un rouleau ou d’un racleur sur des épaisseurs de l’ordre de 100 à 250 µm (Kruth et al., 2004 – Wang et al., 2006 – Kim et al., 2006a – Kim et al., 2006b – Schmidt et al., 2007 – Bae et al., 2008). L’étalement des poudres, c’est-à-dire leur coulabilité, est influencé par un grand nombre de paramètres (Ganesan et al., 2008). Diverses études (Schulze, 2007 – Krantz et al., 2009 – Amado et al., 2011) proposent des méthodes de mesure pour déterminer la coulabilité des poudres, statiquement (angle de tas) et dynamiquement (cylindre rotatif). Dans le cadre du procédé, l’humidité, la température et la taille des grains seront des facteurs influents. Les travaux réalisés dans la seconde thèse du projet FADIPLAST (Dumoulin et al., 2012) montrent que l’étalement des poudres est très influencé par la température en définissant la température maximale de bon étalement pour les sept matériaux étudiés. Seville (1997) et Israelachvili (1992) montrent que les forces de Van der Waals sont négligeables devant les forces gravitationnelles tant que les grains sont assez grands. Lorsque le diamètre de ceux-ci devient inférieur à 50-100 µm (Condotta, 2005a et 2005b), ce n’est plus le cas, et la coulabilité est diminuée. Une distribution de taille étroite autour de 60µm pour un PA12 avec peu de grains endessous de 10µm donne une bonne coulabilité (Keller, 1998). Cependant, plus les grains sont gros, plus la densité initiale du lit de poudre est faible, induisant des densités de pièces plus faibles. Enfin, une densité plus importante du lit de poudre induit une plus faible distance de pénétration du laser (Dupin, 2012), ce qui doit être pris en compte dans le choix des épaisseurs de couches. Enfin, l’état de surface des grains de poudre a aussi une forte influence sur la coulabilité (Oshima et al., 1995). Ainsi, plus la circularité des grains est bonne, meilleure est la coulabilité.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I – LE PROCÉDÉ DE FABRICATION
1 La fabrication directe par fusion laser de poudre
1.1 Cycle de fabrication
1.2 Paramètres influents pour la fabrication
2 Études expérimentales du procédé
2.1 Introduction
2.2 Points clés du procédé
2.2.1 Les poudres et leurs températures caractéristiques pour le procédé
2.2.2 Le laser
2.2.3 Comportement de la matière
2.3 Mise en œuvre du procédé
2.3.1 Influence du matériau
2.3.2 Importance des paramètres procédé
2.3.3 Fenêtre énergétique
2.3.4 Vers une fabrication optimale
2.4 Analyse des pièces créées par fusion laser sélective
2.4.1 Propriétés mécaniques
2.4.2 Défauts de forme
2.4.3 Etats de surface
2.5 Le procédé aujourd’hui
2.5.1 Nouveaux développements du procédé
2.5.2 Développement de nouveaux matériaux
2.5.3 Les machines actuelles et leurs possibilités
3 Étude analytique et numérique des mécanismes de coalescence et densification
3.1 Compréhension des mécanismes de coalescence
3.1.1 La coalescence de grains de polymère
3.1.2 Modèle de Frenkel-Eshelby
3.1.3 La coalescence dans la littérature
3.1.4 Simulations numériques de la coalescence et densification
4 Conclusion du Chapitre 1
CHAPITRE II – CARACTÉRISATION EXPERIMENTALE DES MATÉRIAUX
1 Analyse thermique des poudres : fusion et cristallisation
1.1 Méthodologie expérimentale
1.2 Analyse calorimétrique des matériaux
1.2.1 Matériau A
1.2.2 Matériau B
2 Mesure de viscosité
2.1 Méthodologie expérimentale
2.2 Analyse rhéologique des matériaux
2.2.1 Matériau A
2.2.2 Matériau B
3 Mesure de tension de surface
3.1 Méthodologie expérimentale
3.2 Valeurs usuelles de tension de surface
3.3 Analyse de la tension superficielle des matériaux
3.3.1 Mise en place d’un protocole de mesure sur le PEHD
3.3.2 Tension de surface du PA12
3.3.3 Mesure de la tension de surface d’un matériau PEEK
4 Caractérisation granulométrique
4.1 Méthodologie expérimentale
4.2 Caractérisation granulométrique des matériaux
4.2.1 Granulométrie du matériau A
4.2.2 Granulométrie du matériau B
5 Absorptivité du rayonnement laser
5.1 Méthodologie expérimentale
5.2 Absorptivité laser des matériaux
5.2.1 Absorptivité du PEEK : état dense et poudre
5.2.2 Absorptivité du matériau A
5.2.3 Absorptivité du matériau B
5.2.4 Conclusion
CHAPITRE III – DÉVELOPPEMENT DES MODÈLES NUMÉRIQUES DE SIMULATION
1 Développement du modèle microscopique : fusion laser de la matière
1.1 Principes physiques à modéliser
1.1.1 Hydrodynamique
1.1.2 Thermique
1.1.3 Analyse du procédé : le soudage
1.2 Choix de la méthode numérique
1.2.1 Méthodes disponibles
1.2.2 Méthode C-NEM
1.3 Choix de l’implémentation hydrodynamique et thermique
1.4 Développement hydrodynamique
1.4.1 Mise en place de la méthode C-NEM Hydrodynamique
1.4.2 Résolution du système
1.5 Déplacement des nœuds
1.5.1 Choix du pas de temps
1.5.2 Calcul des nouvelles coordonnées
1.6 Supports de simulation – Conditions aux limites en déplacements
1.6.1 Goutte pendante
1.6.2 Coalescence et cavités
1.6.3 Procédé
1.7 Traitement du maillage
1.7.1 Le maillage en C-NEM
1.7.2 Le caractère plan des simulations mises en place
1.7.3 Les maillages simulés
1.7.4 De la poudre aux maillages initiaux de simulation
1.7.5 Procédures de remaillage
1.8 Modélisation thermique
1.8.1 Mise en place de la méthode C-NEM
1.8.2 Résolution du système
1.8.3 Mise en place du modèle thermique pour le laser
1.8.4 Détails numériques liés à la thermique
1.9 Evolution physique de la matière
1.9.1 État du polymère
1.9.2 Viscosité du fluide
1.9.3 Critère de soudage
1.10 Analyse de la simulation
1.10.1 Caractérisation du soudage
1.10.2 Étude cinétique de la densification
2 Développement du modèle macroscopique
2.1 Paramètres choisis pour les simulations
2.2 Mise en place de la démarche
3 Conclusion du Chapitre 3
CHAPITRE IV – VALIDATION DU LOGICIEL C-NEM DÉVELOPPÉ
1 Validation hydrodynamique
1.1 Simulation de la goutte pendante
1.1.1 Méthodes de détermination de la tension de surface
1.1.2 Calcul de la tension de surface avec la géométrie de la goutte
1.1.3 Simulation de la goutte pendante bidimensionnelle
1.2 Simulation de la coalescence
1.2.1 Données mesurées en simulation
1.2.2 Influence des paramètres de simulation
1.2.3 Analyse adimensionnelle de la coalescence
1.2.4 Simulations et modèle de Frenkel établi en 2D
1.2.5 Simulations et travaux de Hopper
1.2.6 Etude de la vitesse des nœuds lors de la coalescence
1.3 Evolution de cavités fermées
1.3.1 Données de simulations
1.3.2 Disque de fluide avec cavité centrée
1.3.3 Disque de fluide avec cavité excentrée
1.4 Conclusion
2 Validation thermique à l’aide de trois cas tests
2.1 Température imposée sur un bord
2.2 Flux de convection imposé
2.3 Chauffage laser transitoire
2.3.1 Validation des modèles
2.3.2 Vérification de la validité des choix numériques
2.3.3 Comparaison de la thermique 2D et 3D
2.3.4 Correction 2D/3D
2.3.5 Prise en compte de l’enthalpie de fusion
3 Conclusion du Chapitre 4
CONCLUSION

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