Post on 14-Sep-2018
www.utbm.fr
UTBM
90010 Belfort Cedex
Perspectives de développement pour la
fabrication additive de pièces
métalliques à hautes caractéristiques en regard de l’expérience de l’UTBM
Christian CODDET
www.utbm.fr
L’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard
www.utbm.fr
C’est où ?
Belfort
Montbéliard
Marseille
Lyon
Strasbourg
Paris
Bordeaux
www.utbm.fr
Formations d’ ingénieurs
- Informatique
- Mécanique et Conception
- Ingénierie et Management des Systèmes Industriels
- Energie et Environnement
- Ergonomie, Design et Ingénierie Mécanique
www.utbm.fr
Au coeur de l’Aire Urbaine Belfort-Montbéliard-Héricourt-Delle
+ 300 000 habitants
Automobiles, Locomotives, …
Turbines hydrauliques, à vapeur, à gaz, …
Alternateurs, centrales électriques, …
www.utbm.fr
Le Groupe des Universités de Technologie
www.utbm.fr
Activités en fabrication additive
Orientations principales des travaux en SLM
Développements actuels et perspectives
Le sujet du jour
www.utbm.fr
-Fabrication « Near net shape » (Projection thermique)
-Fabrication « Net shape » (Fusion sélective d’un lit de poudre)
-Elaboration de poudres
3 activités principales en fabrication additive
www.utbm.fr
Shéma de principe d’une fabrication additive sur mandrin
Etape #1 Etape #2
Torche
Poudre
Dépôt sur
mandrin
éliminable Pièce élaborée
(« near-net » shape)
1) Fabrication additive « near net shape »
Développée à l’UTBM depuis 1990
www.utbm.fr
Fabrication additive « near net shape »
Développement du
couple
matériau/procédé
www.utbm.fr
25 µm
Structure d’un alliage
Cu-Ag-Zr projeté cold spray He
Structure d’un alliage
Cu-Ag-Zr projeté après TTh
Objectif principal: hautes propriétés mécaniques
Actions : contrôle de la composition (propreté), de la densité (porosité), de
la microstructure (taille de grain, précipités), … en cours d’élaboration
Fabrication additive « near net shape »
www.utbm.fr
Forgé Projeté VPS
Alliage Temp
[K]
UTS
[MPa]
Elong.
[%]
UTS
[MPa]
Elong.
[%]
Inconel 625
(annealed)
293
800
960
770
40
45
925
785
32
31
Cu3Ag0.5Zr
(aged)
293
600
315
260
45
31
320
285
48
31
Quelques propriétés mécaniques d’alliages métalliques élaborés par projection thermique
Fabrication additive « near net shape »
www.utbm.fr
510°C
0
100
200
300
400
500
600
700
0 5 10 15 20 25 30 35
Co
ntr
ain
te (
MPa
)
Pourcentage d'allongement (%)
495°C
455°C 470°C
485°C
CuCrZr
cold spray
Des traitements thermiques réalisés à postériori peuvent permettre d’ajuster
finement les propriétés
Fabrication additive « near net shape »
www.utbm.fr
Procédé d’addition conforme sur mandrin: chambre de combustion du moteur HM7B Ariane V
Exemples de réalisations
Fabrication additive « near net shape »
www.utbm.fr
Chambre de projection sous atmosphère contrôlée et He recyclé à l’UTBM
Fabrication additive « near net shape »
www.utbm.fr
Epaisseur
de la couche
(µm)
Température de
préchauffage (°C)
Puissance du
laser (w)
Vitesse de balayage
(m/s)
Couche de poudre
Faisceau laser
Bain de fusion
Diamètre du faisceau
(µm)
Matiére solidifiée
Poudre
Utilisation et développement de la technique de fusion sélective
par laser d’un lit de poudre (SLM)
2) Fabrication additive « net shape »
www.utbm.fr
Fabrication additive « net shape »
Plusieurs machines disponibles
Realizer SLM 250/400
MCP 250/100 “custom”
EOS M270
www.utbm.fr
Quelques exemples d’études
Eprouvettes
Micro pièces
Pièce composite
Fabrication additive « net shape »
www.utbm.fr
Cu 4Cr 2Nb
3) Elaboration de poudres
Les caractéristiques de la poudre sont déterminantes en fabrication
additive (composition, pureté, coulabilité, …)
Le couple matériau/procédé joue un rôle essentiel en fabrication
www.utbm.fr
Plateforme d’atomisation au gaz sous pression à l’UTBM
Elaboration de poudres
www.utbm.fr
Poudre X avec seconde phase
Poudre obtenue par fusion des éléments constitutifs Cu, Ag et Zr
et atomisation à l’argon sous pression
Elaboration de poudres
Elaboration de lots de 1 à 12 litres avec une granulométrie choisie
et très resserée
www.utbm.fr
- Bonne matière métal (propriétés mécaniques)
- Etat de surface et précision
- Optimisation des structures
Orientations principales des travaux en SLM
www.utbm.fr
Stainless steel
50 mm beam
50 W
0.40 m/s
Stainless steel
50 mm beam
80 W
0.20 m/s
Stainless steel
50 mm beam
110 W
0.05 m/s
Activité classique : optimisation de paramètres
Exemple: effet de la densité de puissance
1) Recherche de propriétés mécaniques élevées
www.utbm.fr
Etudes fines de la construction des cordons
Titane - P laser = 100 W; épaisseur de poudre = 50 µm;
rugosité Ra = 6.3 µm ; effet de la vitesse de balayage
Obtention de propriétés mécaniques élevées
www.utbm.fr
Rm, MPa E, GPa
SLM 595±35 195±15
Standard 500-550 200
Exemple: Propriétés mécaniques pour un inox 316L
Obtention de propriétés mécaniques élevées
www.utbm.fr
Contour de finition
Contour externe
Contour interne Surface d’un alliage Al6061
2) Etat de surface et précision
Développement de stratégies pour la réalisation de pièces de précision
www.utbm.fr
Etat de surface et précision
Exemple de développement de pièces de précision
www.utbm.fr
Développement de procédures adaptées à une optimisation
topologique (le slogan « any shape » n’étant pas toujours
facile à vérifier !)
3) Optimisation des structures
www.utbm.fr
- L’adaptation des propriétés peut également se
faire au niveau de la micro-architecture
Optimisation des structures
www.utbm.fr
- Nouveaux matériaux (alliages et composites)
- Nouvel environnement (atmosphère contrôlée)
Développements actuels et perspectives
www.utbm.fr
1) Nouveaux matériaux
• Les alliage à hautes caractéristiques mécaniques sont difficiles à élaborer; le contrôle des propriétés en
fabrication est souvent une problématique majeure .
• Les caractéristiques de la technologie SLM telles que la fusion rapide et le refroidissement rapide peuvent permettre d’obtenir des microstructure originales.
• Pourquoi se limiter à des matériaux dont la composition a été mise au point pour d’autres modes de fabrication ?
www.utbm.fr
Exemple 1 : alliage à mémoire de forme Ti-Ni
Nouveaux matériaux
Difficulté de mise en forme liée au caractère
superplastique et à la fragilité de certaines phases:
Tentative de réalisation directe à partir d’un mélange de
poudres de titane et de nickel (50/50 at%)
www.utbm.fr B. Zhang et al. J. Materials Science and Technology 2013
Nouveaux matériaux
Obtention d’un matériau dense et homogène avec des paramètres choisis
www.utbm.fr
M A
Austénitique Martensitique
Vérification du comportement à la transformation martensitique
B. Zhang et al. J. Materials Science and Technology 2013
Nouveaux matériaux
• Conclusion: Un alliage à
mémoire de forme de type TiNi
peut être obtenu de façon
économique par SLM à partir
d'un mélange de poudres.
• Les températures de
transformation endothermique
(Mp) et exothermique (Ap)
sont stables avec une valeur
de Mp d'environ 55 °C et une
valeur de Ap d'environ 85°C.
www.utbm.fr
Exemple 2 : Alliage ferromagnétique doux de type fer-nickel réalisé à partir
d’un mélange de poudres de Fe et de Ni
Nouveaux matériaux
www.utbm.fr
Le choix des paramètres de fusion et de consolidation du mélange de
poudres permet une optimisation des propriétés magnétiques, celles-ci
étant étroitement liées à la microstructure
B. Zhang et al. J. Materials Science and Technology 2013
Nouveaux matériaux
www.utbm.fr
Exemple 3 : Elaboration de matériaux composites in situ
(mélange de poudres FeAl et TiC)
B. Song et al. J. Materials Research Innovations 2013
Nouveaux matériaux
www.utbm.fr
Composite
FeAl + TiC
B. Song et al. J. Materials Research Innovations 2013
Comportement à
l’usure versus une
bille en nalliage
100Cr6
Nouveaux matériaux
www.utbm.fr
Un contrôle précis de l’atmosphère de travail pourrait
permettre notamment:
- De limiter les contaminations par l’oxygène
- D’élaborer de nouvelles phases en conditions réactives
- D’ajuster les transferts thermiques
- …
2) Contrôle de l’atmosphère
www.utbm.fr
Exemple 1: rôle de l’environnement sur le transfert thermique
Ar N2
He H2
100µm 100µm
100µm 100µm
Matériau: INOX 316L
Paramètres laser:
Puissance: 100 W
Vitesse: 0.3 m/s
Epaisseur: 50 µm
Pression : 1 bar
Contrôle de l’atmosphère
www.utbm.fr B. Zhang et al. J. Appl. Surf. Sci.279 (2013)
Contrôle de l’atmosphère
Exemple 2: titane élaboré sous vide primaire
0.02 m/s 100W
0.1 m/s 100W
Phase α
Phase α ′
www.utbm.fr
Comparaison entre élaboration sous vide et sous argon
Contrôle de l’atmosphère
www.utbm.fr
Avec la participation de
Christian ADAM
Stéphane BAUER
Philippe BAUER
Charles BERNAGE
Pierre-Laurent CODDET
Daniel CORNU
Lucas DEMBINSKY
Bo SONG
Christophe VERDY
Baicheng ZHANG
…
Merci pour votre attention