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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

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L’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard

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C’est où ?

Belfort

Montbéliard

Marseille

Lyon

Strasbourg

Paris

Bordeaux

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Formations d’ ingénieurs

- Informatique

- Mécanique et Conception

- Ingénierie et Management des Systèmes Industriels

- Energie et Environnement

- Ergonomie, Design et Ingénierie Mécanique

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Au coeur de l’Aire Urbaine Belfort-Montbéliard-Héricourt-Delle

+ 300 000 habitants

Automobiles, Locomotives, …

Turbines hydrauliques, à vapeur, à gaz, …

Alternateurs, centrales électriques, …

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Le Groupe des Universités de Technologie

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Activités en fabrication additive

Orientations principales des travaux en SLM

Développements actuels et perspectives

Le sujet du jour

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-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

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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

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Fabrication additive « near net shape »

Développement du

couple

matériau/procédé

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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 »

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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 »

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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 »

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Procédé d’addition conforme sur mandrin: chambre de combustion du moteur HM7B Ariane V

Exemples de réalisations

Fabrication additive « near net shape »

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Chambre de projection sous atmosphère contrôlée et He recyclé à l’UTBM

Fabrication additive « near net shape »

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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 »

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Fabrication additive « net shape »

Plusieurs machines disponibles

Realizer SLM 250/400

MCP 250/100 “custom”

EOS M270

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Quelques exemples d’études

Eprouvettes

Micro pièces

Pièce composite

Fabrication additive « net shape »

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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

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Plateforme d’atomisation au gaz sous pression à l’UTBM

Elaboration de poudres

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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

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- Bonne matière métal (propriétés mécaniques)

- Etat de surface et précision

- Optimisation des structures

Orientations principales des travaux en SLM

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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

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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

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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

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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

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Etat de surface et précision

Exemple de développement de pièces de précision

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Développement de procédures adaptées à une optimisation

topologique (le slogan « any shape » n’étant pas toujours

facile à vérifier !)

3) Optimisation des structures

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- L’adaptation des propriétés peut également se

faire au niveau de la micro-architecture

Optimisation des structures

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- Nouveaux matériaux (alliages et composites)

- Nouvel environnement (atmosphère contrôlée)

Développements actuels et perspectives

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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 ?

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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

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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.

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Exemple 2 : Alliage ferromagnétique doux de type fer-nickel réalisé à partir

d’un mélange de poudres de Fe et de Ni

Nouveaux matériaux

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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

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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

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Composite

FeAl + TiC

B. Song et al. J. Materials Research Innovations 2013

Comportement à

l’usure versus une

bille en nalliage

100Cr6

Nouveaux matériaux

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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

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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 ′

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Comparaison entre élaboration sous vide et sous argon

Contrôle de l’atmosphère

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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