Importance des post-traitements en fabrication additive métallique

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2 Page 2 Importance des post-traitements en fabrication additive métallique Christophe Grosjean Christophe.grosjean@cetim.fr CETIM, le 8 décembre 2016 P-H. Claudel/Proxima

3 Cycle de vie en fabrication additive Page 3 Plateau de fabrication en sortie machine

4 Page 4 Des post-traitements, quels intérêts? Un composant souvent complexe géométriquement nécessitant des étapes ultérieures pour obtention d un composant fonctionnel Constat Liaison soudée à un plateau de fabrication Présence de supports de fabrication Présence de contraintes résiduelles Etat de surface médiocre Présence de poudre résiduelle Présence de défauts Présence d une microstructure non optimisée Solution Découpe mécanique, fil Minimiser (simulation, état de l art), Détensionnement, préchauffage Reprise mécanique, chimique Nettoyage Mise sous contrôle du procédé, HIP Traitement thermique Impact majeur sur les coûts, les délais et la fiabilité

5 Support Page 5 Les supports permettent : La construction en downskin au regard des problèmes D effondrement De surfusion De limiter les déformations dues aux contraintes résiduelles Supports fragmentables Supports détachables Travail sur la réduction des supports Supports internes pour l allègement

6 Etat de surface Page 6 L état de surface est médiocre en fabrication additive et souvent hétérogène Un impact majeur sur la tenue à la fatigue Surface latérale en SLM Surface supérieure en SLM Source : Effects of Defects in Laser Additive Manufactured Ti-6Al-4V on Fatigue Properties, Eric Wycisk

7 Etat de surface Page 7 Quelle voie d amélioration? Usinage (in situ?) Voie mécanique : sablage, tribofinition Voie chimique Une solution spécifique dépendant : Du besoin fonctionnel De l accessibilité Du risque de contamination supplémentaire Impression 3D métal, avant et après tribofinition Essai de sablage (avant et après traitement) Essai par voie chimique

8 Nettoyage Page 8 Plusieurs solutions envisageables : soufflage, aspiration, ultrasons, fluide chargé Pas de solution unique, cela dépend du besoin fonctionnel Exemple de référentiel pour mesurer la propreté particulaire : Norme ISO Conditions d extraction Récipient placé dans un bain (fluide Biosane) Puissance US = 33W/L F=45KHz Durée=2x5min Conformal cooling Cupule avec structure lattice

9 Traitement thermique Page 9 Trois objectifs Eliminer les contraintes résiduelles Restaurer une microstructure optimale Parfois éliminer certains défauts internes (HIP) Fissure à l interface pièce/plateau Porosités internes TA6V - Brut SLM Phase α TA6V Forgé Phase α/β équiaxe Microstructures

10 Contraintes résiduelles Page 10 Les contraintes résiduelles sont dépendantes du matériau et des stratégies de fabrication Des développements en cours : Des outils de simulation en phase d évaluation Des machines intégrant un préchauffage plus élevé Acier maraging brut Acier maraging Vieilli Evolution des contraintes résiduelles aux traitements thermiques

11 Traitement thermique sur TA6V Page 11 Rp0,2 (Mpa) Rm (Mpa) A (%) E (GPa) Dureté (HV) Brut TTH à 800 C ,34 106,5 349 TTH dans le domaine α/β ,96 121,5 329 TTH à 1050 C ,06 127,0 346 Standards Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) A (%) ASTM F (AM) classes A,B,C,D ASTM F136 (Corroyé) ASTM F1108 (Fonderie) ISO (Forgé) Réf. : M. Régnière, B. Desplanques, S. Saunier, C. Desrayaud P. Bertrand C. Reynaud C.Grosjean

12 Traitement thermique sur TA6V Page 12 Fusion laser Selon Z Moyenne (sur 6 ep.) ASTM 3001 (min.) Titane corroyé Sens longitudinal Moyenne (sur 6 ép.) ASTM F136 (min.) E (GPa) 119,3 2% % - Rp0,2 (MPa) 849 1% % 795 Rm (MPa) 933 0% % 860 A% 18,3% 2% % 2% 10 Z% 44,7% 3% % 9% 25 Hardness (HV30) 317 1% % - Résultats comparatifs en statique

13 Traitement thermique sur TA6V Page MPa 800 MPa 700 MPa 600 MPa Amélioration de 30% de la tenue à la fatigue par l optimisation du traitement thermique 500 MPa Fusion laser 400 MPa Eprouvettes A, issues de fabrication additive Alliage corroyé Eprouvettes B, issues de barres laminées 300 MPa Réf. AEROMAT 2015 Todd M. Mower and Michael J. Long MIT/ TA6V / HIP / usiné / R= MPa DDMF 2012 LZN/ TA6V/ recuit 650 C - 3h / R=0,1 / poli / R= 0,1 100 MPa Bibliographie (17 courbes / TA6V / R=-1/ écart type : 61MPa 0 MPa Amplitude de limite médiane d'endurance (R=-1) Niveau fiabilisé (Pr=5%, α=95%) (R=-1) Contrainte maximum de limite médiane d'endurance (R=0,1)

14 Un procédé métallique sans fusion : l impression 3D métal Page 14 Fabrication additive directe (avec fusion) Fabrication indirecte (Sans Fusion) Lit de poudre (Fusion Laser : SLM, LBM ) Apport / Projection (CLAD,DMD ) Impression 3D Métal Pour beaucoup d applications Cher + peu productif Problème des supports de fabrication Non adapté aux petites pièces complexes Ebauches, formes simples, applications outillage Nouvelle piste explorée par le CETIM pour la petite pièce complexe en petite et moyenne série

15 Un procédé métallique sans fusion : l impression 3D métal Page 15 Etape 1: Mise en forme par Impression 3D Etape 2 : Consolidation par Frittage Superposition de couches de poudres, agglomérées par un liant polymère. 316L 17-4PH Rm (MPa) Après avoir brulé le liant (déliantage) le frittage de la pièce «verte» vient conférer les caractéristiques mécaniques Rp0,2 (MPa) A% (%) Résilience (KV) Porosité Fritté ,1% Fritté + HIP <0,1% Fritté ,3% Fritté + TTH ,3% Fritté + HIP + TTH A caractériser prochainement Rugosité Ra mesuré entre 3 et 13µm

16 Page 16 Les post-traitements en impression 3D métal Des post-traitements différents pour l impression 3D métal Constat Liaison soudée à un plateau de fabrication Présence de supports de fabrication Présence de contraintes résiduelles Etat de surface médiocre Présence de poudres résiduelles Présence de défauts Présence d une microstructure non optimisée Impression 3D métal Pas de plateau Pas de support Pas de contraintes résiduelles Meilleur état de surface Fixation de la poudre au frittage Traitement de HIP Traitement thermique (frittage obligatoire)

17 Page 17 Plateforme Impression 3D au CETIM Le CETIM dispose d un four de frittage Des objectifs industriels Transférer la technologie Accompagner les industriels à l intégration de la technologie Développer une nouvelle filière industrielle de Fabrication Additive métallique Des objectifs R&D Faire progresser la technologie Simulation du frittage Maitriser les retraits au frittage, faciliter la mise au point Acquisition machine 3D Métal en cours Finition de surfaces Définitions des procédés de finitions adaptés à la typologie pièce Caractérisations Répétabilité, Corrosion, Fatigue, optimisation TTh Interactions avec les partenaires académiques

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