Projet RESEM - PRODE : caractériser l’étalabilité des lits de poudres pour la fabrication additive 3D
Le projet PROpriétés Des poudres pour l'Elaboration 3D (PRODE) consiste à caractériser l’aptitude à la mise en couche de poudres métalliques en vue d’étudier l’effet sur l’homogénéité des pièces réalisées en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (Laser Powder Bed Fusion). Il rassemble l’IRT M2P, le Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3), le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) et le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) et s’inscrit dans le quatrième appel à projets RESsources EMergentes (RESEM4).
La fabrication additive (FA) tend à s’imposer dans le secteur industriel, notamment pour la conception de pièces à haute valeur ajoutée destinées aux marchés du secteur aéronautique, spatial ou encore médical. Les applications sont larges et le potentiel offert par les technologies de fabrication additive est considérable : économie de matières et d’énergie, réalisation de pièces complexes, intégration de fonctions, allègement ou encore réduction des coûts de production.
Parmi les procédés de fabrication additive, la technologie Laser Powder Bed Fusion (LPBF), consiste à l'étalement de lits de poudre à l’aide d'un racleur ou rouleau. La fusion du lit de poudre s’opère ensuite sélectivement par un faisceau laser. Ce procédé de fabrication est parfois contraint par des défauts présents sur les pièces finales, notamment des manques de matière, inhérents au manque d’uniformité et de densité du lit de poudres.
A gauche, un exemple d’étabilité optimale. A droite, un lit de poudres irrégulier.
Si le lien entre les propriétés des poudres utilisées et les défauts présents dans les pièces issues de fabrication additive est parfois établi avec différents tests tel que celui de coulabilité, l’aptitude à l’étalement, condition essentielle pour l’obtention de pièces optimales, n’y est que partiellement mise en lumière. Maitriser l'étalement des poudres métalliques, étape préliminaire des procédés de FA représente un enjeu majeur, densité et uniformité du lit de poudres impactant directement l’homogénéité de la pièce finale.
En ce sens, le projet PRODE consiste à définir puis à proposer des critères pertinents permettant de caractériser l’étalement, en fonction de l’homogénéité et la densité du lit de poudre. Il s’agira ensuite d’établir un lien entre cette aptitude à l’étalement et l’homogénéité des pièces produites.
La démarche envisagée comporte quatre livrables :
Lot 1 : la caractérisation de l’étalabilité des poudres métalliques à l’aide d’un banc d’essai instrumenté, reproduisant le mouvement d’étalement de la poudre et les mécanismes associés au procédé LPBF (vitesses de balayage, paramétrie du laser, variation des épaisseurs de couches, etc.) de la machine SLM située au LEM3. Deux caméras intégrées permettent de contrôler l’étalement des poudres étudiées et le taux de recouvrement. Les études et mesures effectuées via ce banc d’essai seront mises en corrélation avec les caractéristiques des différentes poudres testées qui font l’objet du livrable 2.
A gauche, le banc d'essai instrumenté. A droite, la machine SLM située au LEM3.
Lot 2 : la caractérisation morphologique et rhéologique, ciblée sur la détermination des indices de cohésion statique et dynamique. Elle sera effectuée sur des lots de poudres métalliques base titane (TA6V, Ti, TiNb ou NiTi) ou aluminium. Les études portent sur la poudre (forme et angularité des grains des poudres, porosité, distribution granulométrique et par tamisage, densité surfacique) et l'environnement (humidité, recyclage). L’analyse sera comparée avec les résultats obtenus sur le banc d’étalement, l’objectif étant ici d’identifier les critères susceptibles d’agir sur l’étalabilité.
De gauche à droite : GranuDrum, GranuPack, GranuHeap, instruments de mesure de cohésion, de densité et de propriétés statiques des poudres métalliques disponibles au LEM3.
Lot 3 : la simulation de l’étalement de la poudre par modélisation numérique qui permet d’analyser l’influence des différents paramètres du procédé d’étalement et de la poudre (géométrie et matériau) sur les propriétés finales du lit de poudre.
Lot 4 : établir un lien entre les résultats liés aux caractéristiques des poudres obtenus précédemment et l’homogénéité des pièces produites grâce à la fabrication et à la caractérisation d’échantillons de formes simples. Il est également prévu de tester l’étalabilité des poudres en condition d’utilisation pour différents systèmes de chargement ou d’étalement.
L’équipe projet est constituée d’enseignants chercheurs et d’ingénieurs de recherche du LEM3 (Université de Lorraine), de l’ICB (Université de Bourgogne) et du LTDS (ENISE, Centrale Lyon). Ces équipes possèdent une expertise avérée dans le domaine de la fabrication additive métallique et apportent leur expertise dans le domaine du comportement des milieux granulaires et particulaires, de la métallurgie des poudres ainsi que dans leur mise en œuvre au travers des procédés de fabrication par fusion sélective par laser, projection de poudres par laser et projection dynamique à froid (cold spray).
Ces investigations expérimentales devraient sans aucun doute permettre une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui gouvernent le processus de l’écoulement, de l’étalabilité et de la compacité du milieu particulaire propre au procédé LPBF et à terme, de pouvoir définir les conditions idéales d’étalement de toutes sortes de poudres, y compris les poudres céramiques.
En savoir plus sur le projet RESEM
Lancé en 2018, RESEM est un projet de ressourcement technologique, fruit de l’association des équipes de laboratoires de recherche publique dont les porteurs dépendent des tutelles académiques fondatrices de l'IRT M2P. L'IRT M2P assure la coordination et la gestion du projet et les laboratoires académiques de recherche apportent leurs compétences scientifiques pour l'encadrement du personnel, la réalisation d’essais, de modélisations et/ou de simulations, et l'analyse des résultats obtenus.
RESEM est une initiative destinée à faire émerger des projets de recherche amont pouvant irriguer à terme les travaux de l'IRT M2P et initier de nouvelles collaborations entre des laboratoires et des équipes de recherche des partenaires académiques fondateurs de l’institut. Les travaux proposés ne visent pas directement des applications et/ou des marchés identifiés. Cependant, l’appel à projets propose une liste indicative de sujets sur lesquels l’IRT M2P estime nécessaire de renforcer la recherche fondamentale. Il est ainsi attendu que certains des résultats obtenus puissent alimenter à moyen ou long terme des projets de recherche plus appliquée.
