Soutenance mémoire
Conformément à un contexte global de fabrication de pièce fonctionnelle, la présente étude positionne le procédé de polissage au sein de la chaine de fabrication. Dans cette optique, ces travaux de recherche intègrent deux types de procédés primaires : par enlèvement et par ajout de matière, soit respectivement le procédé d’usinage à grande vitesse (UGV) et le procédé de fabrication directe par projection de poudres et fusion laser (Direct Metal Deposition). Les deux procédés primaires étudiés nécessitent des opérations de polissage en vue d’améliorer l’état de surface mais aussi afin de garantir une certaine productivité. De plus, grâce à l’utilisation du laser, il est possible de réaliser les opérations de fabrication additive et de polissage laser sur un seul porteur. Cette configuration permet d’optimiser la productivité et de diminuer les dispersions liées au repositionnement, mais aussi d’améliorer l’accessibilité. En effet, il est possible d’alterner les procédés entre chaque couche de matière déposée, ce qui permet de polir les surfaces difficiles d’accès, comme les surfaces intérieures.
Techniques conventionnelles de parachèvement
Dans le cas du fraisage, la rugosité arithmétique (Ra) minimale atteignable est de 0,8 µm pour le fraisage et 0,4 µm pour le cas du tournage [Guiot2012]. Pour des rugosités inférieures, les temps de process deviennent prohibitifs industriellement parlant. Or, dans le cas d’une fabrication de prothèse par exemple, la norme BS EN ISO 21534 [Norme BS EN ISO 21534], préconise une rugosité inférieure située entre 0,05 et 0,5 µm. Ainsi, la surface usinée nécessite obligatoirement l’intervention d’une opération de parachèvement. Divers procédés de parachèvement sont à disposition des industriels et leur choix s’effectue en fonction de la capacité qualitative du procédé, du matériau, du temps de traitement et de la forme de la surface à traiter. Cependant certains procédés comme la rectification, le rodage, le toilage et le polissage conventionnel (polisseuse) permettent seulement de traiter des surfaces simples de type planes ou cylindriques. Afin de traiter les surfaces complexes, le meulage, la tribofinition ou encore le polissage sont plus adaptés. Ces procédés dédiés aux surfaces complexes disposent cependant d’inconvénients qualitatifs. Le meulage permet d’obtenir des rugosités arithmétiques Ra situées entre 12,5 µm et 1,6 µm ce qui demeure insuffisant pour la plupart des applications. La tribofinition, quant à elle, comporte une qualité dimensionnelle non maitrisée. L’opération de polissage peut être effectuée manuellement ou automatiquement à partir de technologies abrasives ou électrochimiques.
Néanmoins, ces deux techniques comportent des inconvénients qualitatifs et/ou productifs. L’automatisation du polissage abrasif nécessite un asservissement de position par retour d’efforts, en vue de maintenir le contact, afin d’éviter un enlèvement excessif de matière. Si l’effort est maintenu constant, la pression de contact et donc l’enlèvement de matière risquent d’être variables compte tenu d’une géométrie complexe, ce qui constitue un risque pour la forme géométrique finale.
Concernant le polissage électrolytique ou électrochimique , les surfaces à traiter parcourent divers bains chimiques. Cette technologie de polissage emploie des produits chimiques ainsi que du courant électrique, ce qui est le principal inconvénient de cette technologie du fait de l’impact environnemental. Durant le procédé, la pièce à traiter est suspendue à un support conducteur relié au pôle positif (anode). Les pôles sont immergés dans un bain chimique conducteur, composé d’acide phosphorique, sulfurique et nitrite. Grâce à la différence de potentiel entre l’anode et la cathode, les sommets de la topographie traitée sont éliminés, ce qui conduit à une réduction de la rugosité de la surface. De par un fort besoin de parachèvement et compte tenu des limites des procédés de polissage, il devient nécessaire d’investiguer des procédés innovants afin d’optimiser la qualité finale ainsi que les temps de production.
Principe du polissage laser et applications
Utilisée il y a quelques années dans le domaine de l’optique pour le polissage du diamant [Erdemir1997, Gloor1999], des lentilles optiques [Bol’shepaev1997], ou encore dans le domaine de l’électronique pour l’aplanissement de fines feuilles d’or [Tuckerman1986], le polissage laser tend à se développer de plus en plus vers le polissage des métaux, permettant de réaliser des temps d’opération situés entre 10 et 200 s/cm² selon la topographie initiale [Willenborg2007]. Les avantages de ce procédé portent sur son automatisation, sur l’accessibilité des surfaces de faibles courbures du fait d’un diamètre de faisceau laser proche du millimètre, sur son faible impact environnemental et sur la possibilité de traiter des matériaux de très haute dureté.
Trois principales variantes du procédé de polissage laser sont identifiées . Dans un premier temps, on trouve le polissage laser par ablation de larges surfaces. En second lieu, on trouve le polissage par ablation localisée et enfin, le polissage par refusion de la matière [Willenborg2007].
Le polissage laser par ablation de larges surfaces permet d’éliminer la matière sur l’ensemble de la surface traitée. Cette variante permet de diminuer l’amplitude de la topographie par une ablation des pics plus prononcée que l’ablation des vallées. Le polissage laser par ablation localisée permet d’éliminer seulement les pics à partir d’un contrôle du laser. Cependant, cette technologie nécessite une mesure précise de la topographie initiale.
Le polissage laser par refusion permet la relocalisation des pics à l’intérieur des cavités. En parcourant la surface à traiter, le laser met en fusion les pics de la surface grâce à l’énergie qui est transmise au matériau. Les tensions de surfaces permettent de propager la matière des pics fondus dans les cavités, ce qui conduit à un lissage de la surface . Le résultat final est fonction de plusieurs paramètres essentiels, comme les paramètres opératoires du laser, le matériau, mais aussi la topographie de la surface initiale ainsi que la trajectoire employée [Willenborg2007, Khalid Hafiz2012]. Le procédé de polissage laser nécessite une source d’énergie, généralement un laser, et un porteur. Le laser peut être positionné sur un robot 6 axes articulé ou une machine à commande numérique 5 axes.
Deux types de laser peuvent être utilisés : le laser pulsé [Perry2009] dans le cas du micropolissage et le laser continu pour le macro-polissage [Kumstel2013]. Concernant le micropolissage, les profondeurs de fontes se situent entre 0,5 et 5 µm, contre 20 à 200 µm pour le macro-polissage [Willenborg2007]. Le micro-polissage est utilisé pour des rugosités initiales de l’ordre de 0,3 à 1 µm et le macro-polissage est employé pour des rugosités initiales plus importantes. Autrement dit, le micro-polissage donne des rugosités de surfaces plus fines que le macro-polissage. Pour certaines qualités finales désirées la combinaison des deux variantes peut être utilisée.
Le polissage laser se compose de différents paramètres opératoires comme la puissance (P) en Watt, l’avance (Vf) en mm/min, l’offset (Of) en mm, l’overlap (Ov) en % et la stratégie. L’offset est la distance entre le point focal du laser et la surface. L’overlap est le taux de recouvrement de la deuxième passe sur la première. La stratégie concerne la façon de parcourir la surface, ZIG ZIG, ZIG ZAG, perpendiculaire à la surface etc…
Principe général de la fabrication additive et applications
Technologie fondamentalement différente de la fabrication par enlèvement de matière, la fabrication additive connaît un essor considérable depuis ces 10 dernières années pour les matériaux métalliques. La fabrication additive se base sur différentes technologies, utilisées dans divers domaines. Le principe général de cette technologie s’appuie sur un ajout de matière réalisé couche par couche suivant la hauteur, amenant ainsi à une pièce tridimensionnelle. La fabrication additive permet de travailler une grande diversité de matériaux comme les matériaux alimentaires, biologiques, plastiques ou métalliques .
La fabrication additive comprend l’ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche, par ajout de matière, un objet physique à partir d’un objet numérique [Norme NF E 67- 001]. Il est possible de générer un programme de commande à partir du modèle 3D de la pièce à obtenir en vue de piloter la machine à commande numérique et ainsi obtenir la pièce physique. Concernant la fabrication additive de pièces métalliques, deux technologies majeures existent. On retrouve la fabrication additive par lit de poudres (Selective Laser Sintering) et la fabrication additive par projection de poudres (Direct Metal Deposition). Généralement basées sur une source laser ou par faisceau d’électrons, ces deux technologies permettent de fondre la poudre métallique couche par couche, ce qui permet de créer des pièces fonctionnelles en trois dimensions applicables à divers domaines, comme le sport, l’automobile, l’aéronautique ou encore le biomédical .
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 : contexte général de l’étude
1.1 Contexte du projet de recherche
1.2 Introduction
1.3 Contexte de l’étude
1.4 Techniques conventionnelles de parachèvement
1.5 Principe du polissage laser et applications
1.6 Principe général de la fabrication additive et applications
1.7 Conclusion
Chapitre 2 : état de l’art et positionnement des travaux
2.1 Introduction
2.2 Approche expérimentale
2.2.1 Macro-polissage de lignes
2.2.2 Macro-polissage de surfaces
2.2.2.1 Conclusion
2.2.3 Micro-polissage
2.2.3.1 Conclusion
2.2.4 Stratégie dual-Beam
2.2.5 Conclusion générale sur l’approche expérimentale
2.3 Modélisation et simulation
2.3.1 Modélisation expérimentale
2.3.1.1 Conclusion
2.3.2 Modélisation analytique
2.3.3 Modélisation géométrique
2.3.4 Modélisation et simulation multi-physique
2.3.4.1 Conclusion
2.3.5 Génération de trajectoires
2.3.6 Conclusion générale sur la modélisation et la simulation
2.4 Analyse du matériau après polissage laser
2.5 Optimisation suivant une approche multi-process
2.5.1 Conclusion
2.6 Polissage laser de pièces obtenues par fabrication directe
2.6.1 Conclusion
2.7 Polissage laser de formes complexes
2.8 Synthèse de l’état de l’art et verrous scientifiques
2.9 Positionnement des travaux de recherche
Chapitre 3 : polissage laser de pièces usinées
3.1 Introduction
3.2 Contexte et verrous scientifiques
3.3 Méthodologie d’investigation
3.4 Etude de faisabilité
3.4.1 Expérimentations
3.4.2 Matériel
3.4.3 Résultats et analyses
3.4.4 Conclusion
3.5 Etude avancée
3.5.1 Expérimentations
3.5.2 Matériel
3.5.3 Incertitudes de mesures et variabilité du procédé
3.5.4 Résultats et analyses
3.5.4.1 Incertitudes de mesures et variabilité du procédé
3.5.4.2 Expérimentations
3.5.5 Conclusion
3.6 Modélisation
3.6.1 Apprentissage du modèle
3.6.2 Généralisation du modèle
3.6.3 Validation expérimentale
3.6.4 Conclusion
3.7 Optimisation
3.7.1 Optimisation du taux de recouvrement de passe
3.7.2 Optimisation des temps de cycles
3.7.3 Optimisation multi-procédés
3.7.4 Etude technico-économique
3.7.5 Conclusion
3.8 Protocole de détermination des paramètres multi-procédés
3.9 Conclusion générale
Chapitre 4 : polissage laser de pièces obtenues par fabrication directe
4.1 Introduction
4.2 Contexte et verrous scientifiques
4.3 Méthodologie d’investigation
4.4 Polissage laser de surfaces planes
4.4.1 Etude de faisabilité
4.4.1.1 Analyse de la topographie initiale
4.4.1.2 Problématiques après polissage laser
4.4.1.3 Analyse métallographique après polissage laser
4.4.2 Modélisation et optimisation
4.4.2.1 Optimisation de l’environnement gazeux
4.4.2.2 Modélisation et optimisation de l’avance
4.4.2.3 Modélisation et optimisation de l’Overlap
4.4.2.4 Modélisation et optimisation du nombre de passes
4.4.2.5 Modélisation et optimisation de l’Offset
4.4.2.6 Impact de la densité d’énergie
4.4.3 Applications
4.4.3.1 Polissage laser du TA6V
4.4.3.2 Polissage laser de pièce de forme complexe
4.4.4 Conclusion
4.5 Polissage laser de surfaces cylindriques
4.5.1 Modélisation et optimisation
4.5.1.1 Impact de la cellule de confinement
4.5.1.2 Modélisation et optimisation de l’avance
4.5.1.3 Modélisation et optimisation de la puissance
4.5.1.4 Modélisation et optimisation de l’Overlap
4.5.1.5 Modélisation et optimisation du nombre de passes
4.5.1.6 Impact du rayon de courbure
4.5.1.7 Analyse de la déformation géométrique
4.5.2 Conclusion
4.6 Conclusion générale
CONCLUSION
