La Fabrication Additive - Amis des Sciences et des...

Démocratiser les Matériaux Architecturés…

La Fabrication Additive

Université Inter-âge - Fabrication Additive Métallique

Université Inter-Age – 6 février 2015

1

Guilhem MARTIN, J.J. BLANDIN, R. DENDIEVEL, F. VIGNAT, F. VILLENEUVE, M. SUARD

Enseignant-Chercheur au CEMAM (Grenoble)

[email protected]

http://www.cnrs.fr/


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Plan 0. Introduction: matériaux architecturés ?

1. Quiz : matériaux architecturés & biomimétisme

2. Fabrication Additive ou comment fabriquer ces matériaux ?

Définition

Ingrédients

Revue des divers procédés

Principales applications: quelques exemples

Des avantages certains…

…Mais aussi des limites

3. Problématiques (ouvertes) sur la fabrication additive

Design & Optimisation

Modélisation de la fabrication

Contrôle du procédé

Contrôle des microstructures et des propriétés

Contrôle des architectures

Développement de nouveaux matériaux

4. Conclusion


3

Introduction / Quiz / Fabrication Additive / Problématiques / Conclusion

Matériaux architecturés et échelles caractéristiques


4


Matériaux architecturés: remplir les « blancs »


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• Jouer avec les compositions, les microstructures, l’association de

différents materiaux… mais aussi jouer avec les morphologies, les

topologies…

‘Material by design’

• Les solutions optimales sont-elles réalisables ?

‘Additive Manufacturing’

• Cahier des charges complexe

• Besoin de matériaux « multi-fonctionnels »

‘Architectured Materials’



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Matériaux architecturés & Biomimétisme

C’EST QUOI ?

Réponse : Bouchon de liège


7


C’EST QUOI ?

Réponse : Peu de requin



8


C’EST QUOI ?

Réponse : Nacre de coquillage (brick mortar)



9


C’EST QUOI ?

Réponse : Patte de lézard Gecko



10


C’EST QUOI ?

Réponse : Os (97 ans) Réponse : Os (27 ans)


3-D Visualization of Trabecular Bone in a Mouse Femur.avi


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FINALEMENT PAS SI DIFFERENT…



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Définition

Dans le dictionnaire: Fabrication additive : procédés de fabrication par ajout de

matière, la plupart du temps assistés par ordinateur.

Définition normalisée par l’ASTM: Fabrication additive : procédé de mise en forme d’une pièce

par ajout de matière, par empilement de couches successives,

en opposition à la mise en forme par enlèvement de matière, tel

que l’usinage. S’oppose à la fabrication soustractive.


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Ingrédients

Slicing Construction

couche par couche

Pièce finale

Machine

Modèle 3D

Ordinateur

Source d’énergie

UV

Laser

Faisceau d’électrons

Resistance …

Polymère

Céramiques

Métaux

Cellules du vivant

Nourriture: cuisine

Matériau

+


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Fabrication Additive

[D. Pham, R. Gault. International Journal of Machine Tools Manufacturing volume 38 (1998) p1257]


15



Matériau: Polymère

Stereo-lithographie

@ 20 s-1min 40 s

https://www.youtube.com/watch?v=1tPUsDdYc7A

La Stéréolithographie.avi


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Fused Deposition Modeling: « impression 3D »

@ 1 min

Matériau: Polymère

https://www.youtube.com/watch?v=WHO6G67GJbM

Fused Deposition Modeling (FDM) Technology.avi


17



3D printing

@ 2 min

Matériau: Sable, plâtre, céramiques

https://www.youtube.com/watch?v=ps0WEZbDjHE

Z Corp.avi


18

Direct Metal Deposition



@ 0 s

Matériau: alliages métalliques

https://www.youtube.com/watch?v=yKnlmfuMSgo

Laser metal deposition manufacturing (LMD).avi


19

Selective Laser Melting



@ 0 s


https://www.youtube.com/watch?v=22i0NFxQ61E

3D Systems Selective Laser Melting Process.avi


20

Electron Beam Melting



@ 0 s


https://www.youtube.com/watch?v=iegi6D5MKmk

[L.E. Murr, K.N. Amato, S.J. Li, Y.X. Tian, X.Y. Cheng, S.M. Gaytan, E. Martinez, P.W. Shindo, F. Medina, R.B.

Wicker. Journal of the Mechanical behaviour of Biomedical Materials 4 (2011) 1396]

Direct Manufacturing_ ARCAM-Mesh Ball.mp4


21

Couplage additif/soustractif



@ 0 s


https://www.youtube.com/watch?v=s9IdZ2pI5dA

Hybrid ( Additive and Subtractive manufacturing) machine by DMG Mori.avi


22


Principales applications

Aube de Turbine TiAl - ARCAM EBM (Avio).

Tête de prothèse de fémur (TA6V) - ARCAM EBM

Echangeur de chaleur - SLM

Aéronautique

Biomédical

Echangeurs

de chaleur

Les secteurs d’applications

www.arcam.com

www.arcam.com

www.eos.info


23



Nouveaux design + allégement

(coll. EADS IW / EOS) - TA6V (coll. AIRBUS / EOS) - stainless steel

Exemple: pièce de frein - aéronautique

www.eos.info

www.eos.info


24



Echangeur de chaleur

Matériau auxétique

@ 0 s

Exemple: matériaux auxétique - biomédical

Exemple: matériaux auxétique – Echangeurs de chaleur

Géométries complexes

[J. Schwerdtfeger, F. Wein, G. Leugering, R.F. Singer, C. Koerner, M. Stingl,

F. Schury. Advanced Materials volume 23 (2011) p2650]

www.eos.info

https://www.youtube.com/watch?v=nDuR9hHIpZM

Negative Poisson Ratio (or auxetic) Material.mp4


25



Implant orbital (alliage TA6V)

@ 30 s

Exemple: prothèse - biomédical

« Sur mesure »

www.arcam.com

VIDEO3_EBM_InAction.avi


26

Economie de matière - « Buy to Fly » ratio dans le secteur aéronautique: 25 to 30

- Usinage: difficile de recycler les copeaux…

Peu chronofage - Design facile et rapide

- Pas de moulage, usinage limité

- Prototypes, petites séries

Economie d’énergie, procédé durable (?)


De nombreux avantages…

65345 mm3 6848 mm3 4081mm3

16 x 1,7 x

Fabrication Additive Pièce visée Fabrication Soustractive


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…mais aussi des limites

Nous sommes juste au début d’une nouvelle histoire !

De nombreuses questions en suspend !

X Peu de matériaux disponibles

X Poudres disponibles

X Etat de surface

X Traitement de parachèvement:

traitements thermiques, HIP

X Seulement des petites série pour

le moment

X Taille des pièces

…

?


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Rappel: différentes étapes de la fabrication additive

Procédé Post-traitements Modèle 3D & Slicing


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Rigidité en cisiallement

Isolation thermique

Solutions optimales pour une densité donnée,

dépend du chaier des charge multifonctionnel Thermique vs. Mécanique

Echantillons polymères réalisés parSLM (PolyShape)

[Thèse L. Laszczyk (2011) SIMaP, Grenoble]

Optimisation de l’architecture


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Structure trabeculaire

Densité relative

Taille des pores

Connectivité

Tortuosité

Rugosité Optimisation de la rigidité

Ostéo-intégration

Octet truss

Structure qui ne travaille qu’en traction/compression

Cellules de Voronoi

Structure qui travaille principalement en flexion

Optimisation de l’architecture

[E. Marin, S. Fusi, M. Pressacco, L. Paussa, L. Fedrizzi. Journal of

the Mechanical behaviour of Biomedical Materials 3 (2010) 373]

[M. Suard, P. Lhuissier, R. Dendievel, J.J. Blandin, F. Vignat,

F. Villeneuve. Powder Metallurgy (2014) volume 57 190]


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Modélisation de la stratégie de construction

Modélisation des interactions faisceau/matière

Modélisation des processus de solidification

Modélisation des procédés de fabrication additive

CRUCIAL car:

- permet la prédiction

- améliore notre connaissance des procédés

Modélisation/dessin du modèle 3D (CAD)

Modélisation/représentation du fichier « slicé » (interface avec la machine)


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[Thèse E. Attar (2011), University of Erlangen, Germany]

Méthode de Lattice Bolztman

Influence of beam power, beam size, scan speed …

Interactions faisceau/matière

[A. Klassen, T. Scharowsky and C. Körner. Journal of Physics D: Applied Physics 47 (2014) 275303]


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Molten pool simulation

=> Thermomechanical history of the build

Influence of wafers



Processus de fusion/solidification

[B. Cheng, S. Price, J. Lydon, K. Cooper, K. Chou. Journal of Manufacturing Science and Engineering 136 (2014) 061018]

[Thèse N. Beraud (2016) G-SCOP, Grenoble]


34



Optimisation des stratégies de balayage:

Paramètres d’entrée :

- Puissance du faisceau, focalisation du faisceau

- Vitesse de balayage, trajectoires

Paramètres de sortie :

- Densité

- Microstructures [Thèse N. Beraud (2016) G-SCOP, Grenoble]

Stratégies de construction


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Contrôle du procédé in situ

Caméra

Thermocouples

Pyromètres

Caméra thermique

Outils

Pourquoi ?

Qualité des pièces: porosité

Suivi de production

Retour d’expérience

Caméra infrarouge Pyromètre

Porosités après élaboration par EBM


36 Image d’une couche fournie par une caméra lors d’une construction EBM

[ Collab. SIMaP/Polyshape]


37


Contrôle du procédé in situ

Champ thermique fourni par une caméra infrarouge

[ E.Rodriguez, F. Medina, D. Espalin, C. Terrazas, D. Muse, C. Henry, E. MacDonald, R. B. Wicker. MS&T’12 Conference]


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Contrôle des microstructures et des propriétés: exemple du TA6V

Maintien de la composition chimique

Procédé sous vide (chambre de construction ~10-5 mbar)

Petite piscine de fusion

Vitesse de solidification élevée

Procédé de recyclage des poudres relativement propre

C Al Fe H N O V Y Ti Other

Ti-6Al-V 0.010 5.80 0.04 0.0004 0.014 0.16 3.87 <0.001 Bal. < 0.01

ASTM F1472 <0.08 5.5-6.75 <0.30 <0.015 <0.05 <0.20 3.5-4.5 <0.005 Bal.

Ti-6Al-4V ELI 0.009 5.82 0.04 0.0005 0.020 0.098 4.14 <0.001 Bal. < 0.01

ASTM F136 ELI <0.08 5.5-6.5 <0.25 <0.012 <0.05 <0.13 3.5-4.5 Bal.

Satisfait complètement les normes ISO et ASTM

Perte d’aluminium par évaporation: minime

[ARCAM Training Level 2]


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Morphologie sphérique des pores < 50 μm

Origine des porosités: gas piégé lors de

l’atomisation des poudres

La porosité peut se contôler en jouant sur

les paramètres du faisceau d’électrons !

Total porosity (%)

Poudres TA6V 0.27

Poudres TA6V ELI 0.17

TA6V post-EBM 0.19

TA6V ELI post-EBM 0.11

Porosités après élaboration par EBM

Porosités présentes dans les poudres

Résultats obtenus sur un matériau dense à l’aide des

paramètres standards « Melt »

Microstructure post-élaboration: porosités


40



Grains colonnaires β allongés

Phase α aciculaire (~1 μm épaisseur)

Microstructures très fines par rapport à des alliages de fonderie classiques

Pas de martensite α’

Pas de contrainte

Build direction, z

x

y

Microstructure post-élaboration: caractéristiques


41


Speed function = 18

Speed function = 9

Speed function = 4

Réduire la « Speed function »

équivaut à augmenter la taille de la

piscine de fusion bigge

Taille de grains modifiée

Plus la « Speed function » est lente,

plus la microstructure devient grossière


Microstructure post-élaboration: effet de la vitesse de balayage


42



Effet de la géométrie sur la microstructure

de solidification

Texture des grains β

Texture des lattes α

[A. A. Antonysamy et al. Materials Characterzation volume 84 (2013) p154]

Microstructure post-élaboration: effet de la géométrie


43



X

Y

Contour Hatching Hatching

Contour extérieur

Contour intérieur

Hatching

Interface entre contours

Effet de la stratégie de balayage sur la microstructure

[A. A. Antonysamy et al. Materials Characterzation volume 84 (2013) p154]

Microstructure post-élaboration: effet de la stratégie de balayage


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Direction σy,0.2% (MPa) Rm (MPa) A (%) Z (%)

TA6V post-EBM Z 879 953 13.8 46.0

XY 870 971 12.1 34.5

TA6V ELI post-EBM Z 802 904 13.8 47.0

XY 817 918 12.6 42.5

ASTM 1472 - > 860 > 930 > 10 > 25

Satisfait la norme ASTM

Propriétés relativement isotropes (valable pour le TA6V, mais pas

nécessairement pour d’autres matériaux)

Direction KIc (MPa.m1/2)

TA6V post-EBM

Z 78.8

XY 97.7

ASM4999 - 65.9 Satisfait la norme ASM

Légère anisotropie liée aux grains colonnaires β)


Propriétés: traction et ténacité




45



CI

275 MPa

520 MPa

Limite d’endurance 107 cycles: 275 MPa dans les conditions post-EBM

520 MPa CI à chaud

Impact significatif de la CI à chaud CI à chaud = 120 min @ 920°C +100 MPa,

Propriétés: fatigue


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Tomographie RX

– ESRF lignes ID15 & ID19

– Tomographe de laboratoire

– Voxel size: 1-2.5 µm3

Projection du cylindre inscrit selon z

Cylindre inscrit gouverne les propriétés mécaniques

Porosité fermée < 0.1%

500 µm

Z, Direction de

construction

x

y

Projection du cylindre inscrit dans le plan xy

vert

rouge

poutre

inscritcylindre

V

V

V

V

_

: ratio du Volume efficace

Géométrie: CAD vs. réalité


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Résultats obtenus avec un jeu de paramètres standards pour des poutres verticales

Φ augmente avec le diamètre des poutres

Φ > 80% pour des poutres de diamètre > 2 mm

Φ, R

atio d

u V

olu

me e

ffic

ace

Diamètre poutre CAO (mm)

Géométrie: CAD vs. réalité


48



Jusqu’ici le nombre d’alliages « fabricables » par ces technologies

demeurent limités, industriellement on recense principalement:

Alliage de Ti de type TA6V

Superalliage base-Ni de type Inconel 718

Dans le milieu universitaire des développements sont en cours

concernant :

Des nouveaux alliages de Ti

Des nouveaux superalliages base-Ni: René, Invar…

Alliages de Cu

Alliages de Nb

Alliages à Mémoire de forme NiTi

Alliages d’aluminium

…

Nombre d’alliages et de nuances disponibles

Microstructure 3D d’un superalliage

base Ni obtenue par SLM


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Multimatériaux et matériaux à gradients

Bi-matériaux Ti-Cu par EBM

Gradients de porosités (TA6V)


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Procédés en plein essor

Très séduisants pour des applications bien ciblées

Des formes et géométries jusqu’ici inatteignables

Un vecteur de développement des matériaux architecturés

Seulement le début de l’histoire…

Un besoin de recherche et développement conséquent :un

paradis pour les chercheurs dans beaucoup de domaines !

Points essentiels


51


“Obama spoke about the National Additive Manufacturing Innovation

Institute, a public-private partnership established in the hard-hit

manufacturing city of Youngstown, Ohio, …

"And I ask this Congress to help create a network of 15 of these hubs

and guarantee that the next revolution in manufacturing is made in

America," Obama said.

Points essentiels

Nous verrons prochainement si la vision du président Obama

avait vu juste !

A vous de juger ! Voici un premier élément de réponse…

http://namii.org/

http://namii.org/

Why Design Now Contour Crafting.avi


52

Les Matériaux apparaissent comme un acteur

majeur dans l’innovation technologique …

… Ils rendent les choses possibles ou les

condamnent à rester à l’état de rêve.

Yves Bréchet


Le mot du mentor…


53


Le Bonus…Visite de la machine EBM de Grenoble INP

Institut polytechnique de Grenoble

(Grenoble Institute of Technology)

46 avenue Félix Viallet

38031 Grenoble Cedex 1 - France

Suivez-moi…

10 mm


54

Remerciements

• J.P. Morlevat pour m’avoir invité à partager mes

activités de recherche

• A mes collègues du SIMaP, tout particulièrement à R.

Dendievel et J.J. Blandin qui se sont lancés dans

l’aventure de la fabrication additive

• A mes collègues belges et canadiens pour nos

discussions

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