Principe et élaboration de poudre par atomisation gazeuse, granulométrie et traçabilité pour la fabrication additive.

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1 Principe et élaboration de poudre par atomisation gazeuse, granulométrie et traçabilité pour la fabrication additive. Lucas DEMBINSKI Christian CODDET, Cécile LANGLADE Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Site de Sevenans Belfort cedex France - lermps.utbm.fr 1

2 Sommaire Introduction IRTES Le Laboratoire LERMPS Généralités Activité en FA Elaboration de poudres Comment Exemples de réalisation : CoCrMo, Acier inox 316L, alliages Al6061, AS7G06, Al2017 Conclusion & perspectives 2

3 Introduction : IRTES - LERMPS Institut de Recherche sur les Transports, les Energies et la Société (IRTES) UPR de l UTBM, EA

4 enjeux une nécessité d'adaptation satisfaire aux impératifs de taille et de visibilité renforcer la recherche aux frontières : transdisciplinarité renforcer la cohérence entre les activités de recherche des laboratoires de l'utbm : LERMPS, M3M, RECITS et SET une exigence d affirmation occuper une place originale dans le paysage de la recherche la spécificité du concept UT étudier les outils fabriqués PAR et POUR l'homme 4

5 objectifs double articulation transports ET énergie (systèmes ET composants) prise en compte systématique de la dimension sociétale (acceptabilité, mutation, histoire, etc.) démarche transdisciplinaire chaque fois que possible recherche applicative actions transversales 1 unité propre de recherche 4 laboratoires : LERMPS, M3M, RECITS et SET recherches disciplinaire et applicative 5

6 Introduction : IRTES-LERMPS Laboratoire d Etudes et de Recherche sur les Matériaux, les Procédés et les Surfaces Materials Science and Surface Engineering Processes 6

7 nos moyens matériels principaux moyens à l'échelle du pilote industriel car les procédés étudiés / développés sont sensibles à l'effet d'échelle transferts de masse ET de chaleur pour permettre un continuum recherche développement valorisation "de l'échantillon à la pièce échelle 1" répartis sur 2 plateformes SEVENANS (90) MONTBELIARD (25) plateforme expérimentale "couches épaisses" et "fabrication additive" (2158 m 2 ) plateforme expérimentale "couches minces" et moyens milourds de caractérisation (1219 m 2 ) 7

8 RECHERCHE DISCIPLINAIRE GENIE DES PROCEDES SCIENCE DES MATERIAUX PROCEDES PROJECTION THERMIQUE DEPÔT PHYSIQUE EN PHASE VAPEUR FABRICATION ADDITIVE ELABORATION DE POUDRES notre ADN et nos objectifs scientifiques développement de matériaux en couches (minces ou épaisses) par procédés par voie sèche Λ = 120 nm 20 µm 2 µm PRINCIPAUX CHAMPS D'APPLICATION 20 µm 20 mm ENERGIE TRANSPORT SANTE 8

9 Introduction : IRTES - LERMPS Caractérisation MO, MEB, EDS, Analyse de gaz, tribomètre, SDL, RX, DSC, métallographie, analyse d images techniques connexes Préparation de surface par laser, décapage «in situ» Chauffage par laser Modélisation et diagnostiques Calcul ab-initio Mécanique des fluides, logiciels thermomécaniques : phoenics, fluent, sysweld, pro-engineer, catia Cimstation robotstudios DPV2000, spraytech, pyromètre, caméra infrarouge 9

10 Introduction : IRTES - LERMPS Projection thermique ( µm) Flamme, High Velocity Oxy-Fuel (HVOF), Arc fil, atmospheric plasma (APS) vacuum plasma spraying (VPS) inert plasma spraying (IPS) Dépôts sous vide (1nm - 10µm) - Evaporation : Faisceau d électron, décharge d arc - Pulvé magnétron : RF, DC, courant pulsé - Fabrication de cibles diverses : composition Matériaux précurseurs - Agglomération séchage : céramiques - Atomisation sous gaz : métalliques - Broyage - Tamisage et élutriation Fabrication additive - Elaboration de chambre de combustion de fusées - Micro-fusion laser sur lit de poudre (SLM) 10

11 IRTES LERMPS : fabrication additive Procédé de micro-fusion laser sur lit de poudre SLM250 de chez ReaLizer* Une "sous vide" Une "classique" Laser de 400 W Développement de matériaux Alliage d aluminium Alliage de titane Alliage base fer Alliage base cobalt * 11

12 Plateau de la machine sur lequel se fixe le plateau de fabrication Lit de poudre La micro-fusion laser sur lit de poudre Bac mobile contenant la réserve de poudre Entrée du Faisceau laser Racleur Plateau de fabrication métallique Lentille de compensation 12

13 Développement paramétrique Etudes du taux de recouvrement : 0%, 12.5%, 25%, 50%, 75 %, 87.5 % sur un alliage Al6061 Simulacres sous forme de cylindres diamètre 28 mm épaisseur 22 mm 13

14 Introduction : IRTES - LERMPS Laboratoire de Recherche Correspondant du CEA en ingénierie des surfaces à hautes performances mai 2009 juin 2010 Nov 2010 Prestations de service Réalisation d'études Suivi produits / services Transfert de technologie R&D 14

15 IRTES LERMPS : poudres métalliques Détente : Onde de choc (λ), instabilité du jet Désintégration Formation de goutelettes Solidification convective Poudre 16

16 Double paroi refroidie Chauffage inductif du creuset Unité d atomisation IRTES LERMPS : poudres métalliques Barreau bouchon Creuset P cible P 0 Divergent Entrée du gaz d atomisation (Argon) P autoclave t Ouverture creuset 17

17 IRTES LERMPS : poudres métalliques Buse de coulée gaz atomiseur Buse d atomisation filament de métal en fusion Gouttelettes de métal liquide Atomisation au moyen d une buse sphérique Débit régulé avec une forte pression de gaz 18

18 Buse d atomisation Gouttelettes de métal liquide Buse de coulée IRTES LERMPS : poudres métalliques gaz atomiseur filament de métal en fusion Buse d atomisation centrale Injection du gaz sur 360 Flux laminaire Principe Rayleigh-plateau Atomisation en mode 1 aire Contrôle du débit massique : diamètre buse de coulée Contrôle du diamètre du filament : pression débit Gaz d atomisation : argon contamination 19

19 IRTES LERMPS : poudres métalliques d 50 = f(sgm), P+ 1/2ρv 2 +ρgh=0 v = 2 gh + 2 P ρ Granulométrie sur mesure 5-50 kg par lot Nuances «classiques» Nuances «sur mesure» Traçabilité des lots Analyse composition FDS Coulabilité 21

20 Elément en % massique Exemples de réalisations : CoCrMo CoCrMo matière première coulée N 13753, lot G635/15 Poudre lot N PCoCr Composition requise Al <0,010 <0,010 - Co Solde Solde Solde Cr 28.3 ± 0, ± 0, Fe <0,10 <0,10 <0,5 La <0,010 <0,010 - Mn 0,45 ± 0,01 0,44 ± 0,01 <1 Mo 5,55 ± 0,17 5,68 ± 0, Nb <0,020 ± 0,002 <0,010 ± 0,001 - P <0,010 ± 0,001 <0,020 ± 0,002 <0,1 Ni <0,05 <0,05 <0,1 Si 0,77 ± 0,02 0,88 ± 0,02 <1 Ti <0,010 <0,010 - V <0,010 <0,010 - W <0,010 <0,010 - C 0,002 ± 0,001 0,004 ± 0,002 <0,02 S <0,003 ± 0,001 <0,003 ± 0,001 <0,1 22

21 Exemples de réalisations : CoCrMo Morphologie 23

22 Exemples de réalisations : CoCrMo D 90 D D 10 σ = = 2,

23 Exemples de réalisations : Inox 316L ECHANTILLONS ANALYSES REFERENCE Matière première du lot LERMPS, lot PAI316L PAI316L Norme NF EN Al <0.01 < Co 0.15± ± Cr 16.90± ± Cu 0.66± ± Fe Base Base - Mg <0.01 < Mn 1.24± ± Mo 2.56± ± Nb <0.01 < Ni 10.74± ± P 0.031± ± max Si 0.22± ± Ti <0.01 < V 0.12± ± W 0.10± ± C 0.014± ± S 0.017± ± ** N 0.055± ± O 0.007± ± ** teneur variable en fonction de son application, valeur haute tolérée de 0.030%, valeur moyenne ici recommandée pour le polissage de cet acier. Se référer à la norme NF EN ISO

24 Exemples de réalisations : Inox 316L Morphologie 26

25 Exemples de réalisations : Inox 316L D 90 D D 10 σ = = 3,

26 Exemples de réalisations : Al6061 Réalisation de l'alliage à partir d'éléments purs Lot PA6061 Contrôle de la composition : certif 3.1 Réf C JUIN 2013 M (Mg+Si) = % massique 28

27 Exemples de réalisations : Al6061 Evolution de la composition de l alliage après micro-fusion laser M (Mg+Si) = % massique 29

28 Exemples de réalisations : Al6061 Morphologie 30

29 Exemples de réalisations : Al6061 D 90 D D 10 σ = = 2,

30 Eléments (% massique) Exemples de réalisations : AS7G06 (AlSi7Mg0,6) Matière première Poudre PAS7G06 Spécification NF EN (Nov 2007) Al Base Base Base Bi <0.05 < Co <0.05 < Cr <0.05 < Cu <0.05 < max Fe ± ± max Li <0.1 <0.1 - Mg ± ± Mn <0.05 < max Ni <0.05 < Pb <0.05 < Si 6.8 ± ± Sn <0.1 <0.1 - Ti ± ± max V <0.05 < Zn <0.05 < max Zr <0.05 < C ± ± 0.01 NR N ± ± NR O ± ± NR 32

31 Exemples de réalisations : AS7G06 (AlSi7Mg0,6) adaptation de la granulométrie au procédé 33

32 Exemples de réalisations : Al2017 Adaptation de la granulométrie au procédé 34

33 Exemples de distributions granulométriques 35

34 Conclusion & perspectives Elaboration de poudres métalliques possibles Respect de la composition par rapport à un standard Anticipation de la composition par rapport au procédé de transformation : "nombre de ré-utilisation du lot" Adaptation de la distribution granulométrique au procédé de FA considéré. Perspectives Elaboration de poudres réactives : "Ti" Alliages innovants : verres métalliques Compositions non conventionnelles Evolution du procédé d'atomisation recyclage d un même lot de poudre Influencé de la granulométrie 36

35 MERCI POUR VOTRE ATTENTION. Lucas DEMBINSKI Tél : Fax : lucas.dembinski@utbm.fr Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Site de Sevenans Belfort cedex France - lermps.utbm.fr 37

36 NORMALISATION Normes publiées et programme de travail Vocabulaire : premier ensemble de termes et définitions concernant le domaine de la fabrication additive, destiné à contribuer à la compréhension mutuelle des différents intervenants du domaine : NF E : octobre 2011 Spécificationtechnique des poudres: caractéristiques techniques des poudres couramment utilisées en fabrication additive, à fournir, par le fournisseur de poudre, lors de la livraison XP E : mai 2012 Fabrication additive -Partie 2: Vue d'ensemble des catégories de procédés, des types de pièces et des matériaux de base XP E : 2014 Fabrication additive -Technologies rapides (prototypage rapide) -Partie 3 : Méthodes d'essai XP E : 2014 Fabrication additive -Technologies rapides (prototypage rapide) -Partie 4 : Traitement des données XP E :