Vision académique pour la fabrication additive Activités et perspectives à l EPFL

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1 pour la fabrication additive Activités et perspectives à l EPFL Eric Boillat 1 1 Laboratoire de Gestion et Procédés de Production Institut de Génie Mécanique EPFL Paris, 8 avril 2015

2 Contenu Présentation Defis Projets 1 Présentation du LGPP et équipements disponibles 2 Défis scientifiques pour les procédés additifs 3 Projets de recherche courants

3 Pre sentation Defis Projets Compe tences spe cifiques du LGPP Gestion de production : Gestion des chaı nes logistiques Entreprise virtuelle Planification de la production Integration des aspects humains Mode lisation et simulation Outils d aide a la de cision Proce de s de production : Proce de s de fabrication traditionnels (ablatifs, replicatifs) Proce de s de fabrication additifs Fusion/frittage se lectif par laser - Mode lisation et simulation des proce de s de production - Outillage rapide - Fabrication rapide - Optimisation thermique d outils Paris, Acade mie des technologies, 8 avril 2015 Vision acade mique

4 Pre sentation Defis Projets Compe tences spe cifiques du LGPP Gestion de production : Gestion des chaı nes logistiques Entreprise virtuelle Planification de la production Integration des aspects humains Mode lisation et simulation Outils d aide a la de cision Proce de s de production : Proce de s de fabrication traditionnels (ablatifs, replicatifs) Proce de s de fabrication additifs Fusion/frittage se lectif par laser - Mode lisation et simulation des proce de s de production - Outillage rapide - Fabrication rapide - Optimisation thermique d outils Paris, Acade mie des technologies, 8 avril 2015 Vision acade mique

5 Pre sentation Defis Projets Activite s lie es aux proce de s additifs Equipements SLS disponibles au LGPP Machine experimentale EOSINT M250 laser CO2 laser Nd :YAG pulse ou Ytterbium-fiber CW atmosphe re controlle e poudre bronze Ti, Ni, Au, Ag, 316L, H13,... couches de 50µm Paris, Acade mie des technologies, 8 avril 2015 couches jusau a 20µm Vision acade mique

6 Principaux défits pour SLS-SLM(-EBM-DMD) Liste des problèmes ouverts et des directions de recherche associées Défis Projets courants Bénéfices pour le procédé (a) Maîtrise de nouveaux matériaux Composite à matrice métallique Combinaison de matériaux optimisation des pièces nouvelles applications (b) Amélioration de la qualité des pièces Diminution des contraintes thermiques Amélioration précision/qualité de surface Augmentation de la productivité accrue réd. des travaux de finition réd. des coûts, des déchets nouvelles applications (c) Développement de techniques de contrôle Contrôle de la poudre et de sa déposition Contrôle de la consolidation de la poudre Stratégie de rétroactions fiabilité certification des pièces

12 Nouveaux matériaux Fenêtre opérationnelle : Param. opérat. Carac. matériaux AP 0 kω H puissance laser P 0, rayon du faisceau ω, temp. de fusion T melt, conductivité therm. k, ( vω 2η vitesse de balayage v temp. de préchauffage T pr heat absorption e-m A ) > 2 π(t melt T pr heat ) diffusivité therm. η puissance laser P0, W vitesse de balayage v, mm/s

15 Nouveaux matériaux Fenêtre opérationnelle : Param. opérat. Carac. matériaux AP 0 kω H puissance laser P 0, rayon du faisceau ω, temp. de fusion T melt, conductivité therm. k, ( vω 2η vitesse de balayage v temp. de préchauffage T pr heat absorption e-m A ) > 2 π(t melt T pr heat ) diffusivité therm. η puissance laser P0, W Pmin vitesse de balayage v, mm/s

16 Nouveaux matériaux Fenêtre opérationnelle : Param. opérat. Carac. matériaux AP 0 kω H puissance laser P 0, rayon du faisceau ω, temp. de fusion T melt, conductivité therm. k, ( vω 2η vitesse de balayage v temp. de préchauffage T pr heat absorption e-m A ) > 2 π(t melt T pr heat ) diffusivité therm. η puissance laser P0, W Plaser Pmin vmax vitesse de balayage v, mm/s

17 Nouveaux matériaux Fenêtre opérationnelle : Param. opérat. Carac. matériaux AP 0 kω H puissance laser P 0, rayon du faisceau ω, temp. de fusion T melt, conductivité therm. k, ( vω 2η vitesse de balayage v temp. de préchauffage T pr heat absorption e-m A ) > 2 π(t melt T pr heat ) diffusivité therm. η puissance laser P0, W Plaser Pmin vmax vitesse de balayage v, mm/s

18 Nouveaux matériaux et contrôle des poudres Développement de différents instruments de diagnostic des poudres Mesures d absorptivité Mesures de conductivité couplage laser-matière dynamique de la diffusion d énergie

19 Nouveaux matériaux et optimisation des pièces Fenêtre opérationnelle : Paramètres opérationnels puissance laser P 0, rayon du faisceau ω, vitesse de balayage v temp. de préchauffage T pr heat Caractéristiques matériaux du temp. de fusion T melt, conductivité therm. k, absorption e-m A diffusivité therm. η AP 0 kω H ( ) vω > 2 π(t melt T pr heat ) 2η Cette formule : (i) ne tient pas compte des phénomènes radiatifs et diffractifs dans la poudre, (ii) ne tient pas compte d effets non-linéaires comme par exemple les transitions de phase solide-liquide, le déplacement du liquide sous l effet des forces capillaires, l augmentation de la conductivité thermique.

20 Nouveaux matériaux et optimisation des pièces Fenêtre opérationnelle : Paramètres opérationnels puissance laser P 0, rayon du faisceau ω, vitesse de balayage v temp. de préchauffage T pr heat Caractéristiques matériaux du temp. de fusion T melt, conductivité therm. k, absorption e-m A diffusivité therm. η AP 0 kω H ( ) vω > 2 π(t melt T pr heat ) 2η Cette formule : (i) ne tient pas compte des phénomènes radiatifs et diffractifs dans la poudre, (ii) ne tient pas compte d effets non-linéaires comme par exemple les transitions de phase solide-liquide, le déplacement du liquide sous l effet des forces capillaires, l augmentation de la conductivité thermique.

21 Optimisation des pièces Développement d un modèle éléments finis : Entrée Sortie strat. de balayage, param. laser propriétés therm. de la poudre propriétés méca. de la poudre champ de température/géométrie de la pièce contraintes thermiques/déformations microstructures

22 Optimisation des pièces MEF : prédictions des microstructures et des contraintes résiduelles :

23 Optimisation des pièces Agir sur les paramètres opérationnels pour piloter la microstrcuture : Collaboration avec le LMTM (prof. R.Logé) Param. opérationnels puissance laser P 0, vitesse de balayage v rayon du faisceau ω, temp. de préchauffage T pr heat Prop. mécaniques as from [1] as from [1]

24 Contrôle en ligne du procédé Développement d un dipositif de vision en temps réel laser émission IR depuis le lit laser CMOS +filtres +objectif tension photodiode photodiode tête galva. miroir dichroique séparateur de faisceau ou CMOS obj, filtres lit de pdre bain liquide

25 Pre sentation Defis Projets Contro le en ligne du proce de De veloppement d un dipositif de vision en temps re el Contro le du proce de, certification des pie ces Contro le avec re troaction sur la puissance ou la vitesse de balayage Paris, Acade mie des technologies, 8 avril 2015 Vision acade mique

26 Pre sentation Defis Projets Contro le du proce de (pie ce et lit de poudre) Me thodes de de tection base es sur les courants de Foucault Paris, Acade mie des technologies, 8 avril 2015 Vision acade mique

27 Références Pan Ma, Konda G Prashanth, Sergio Scudino, Yandong Jia, Hongwei Wang, Chunming Zou, Zunjie Wei, and Jürgen Eckert. Influence of annealing on mechanical properties of al-20si processed by selective laser melting. Metals, 4(1) :28 36, 2014.