Capacités de fabrication des pièces de référence céramique par procédé de stéréolithographie «faible viscosité» du CRIBC

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1 Capacités de fabrication des pièces de référence céramique par procédé de stéréolithographie «faible viscosité» du CRIBC A Principe technique de fabrication 3D par stéréolithographie DLP (SLA-DLP) B- Examples d objets céramiques denses obtenus par SLA-DLP L équipement de fabrication additive SLA (stéréolithographie) céramique en cours d acquisition dans le cadre du portefeuille FEDER IAWATHA permettra de réaliser des pièces céramiques monolithiques et composites complexes et multifonctionnelles. PRINCIPE : La technologie de stéréolithographie céramique permet de réaliser des composants céramiques par couches successives en utilisant une source lumineuse qui polymérise une suspension composée de résine photosensible et de céramique. Les pièces mises en forme ainsi obtenues sont ensuite soumises à un traitement thermique (déliantage puis frittage) qui élimine la résine et densifie la céramique. L avantage de l approche «faible viscosité» réside dans l utilisation de suspensions céramiques liquides plutôt que de pâtes ce qui autorise la fabrication d objets de meilleure résolution, d états de surfaces améliorés et facilite les opérations de nettoyage. En Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-SLA-CRIBC-V01 Page 1 of 2

2 outre la technologie retenue exploitera une source lumineuse de type DLP (Digital Light Processing) plutôt qu un laser ce qui accroît la productivité et l efficacité du procédé. MATERIAUX : La technologie considérée permet d obtenir des objets denses (>99% de la densité théorique) consitués des matériaux suivants (liste non exhaustive) : alumine, zircone, silice, hydroxyapatite Dans le cadre du portefeuille, d autres formulations céramiques seront spécifiquement développées pour répondre aux exigences et besoins industriels (composites ). CARACTERISTIQUES DE L EQUIPEMENT : - Source lumineuse de type DLP 2k - Résolution : 60 µm - Epaisseur des couches : µm - Densité des pièces frittées (dépendant du design) : > 99% - Volume de fabrication : 120 x 65 x 200 mm DISPONIBILITE : La machine devrait être opérationnelle en décembre 2017 et sera installée sur le site du CRIBC à Mons. Le laboratoire dispose d ores et déjà des moyens requis pour assurer le déliantage ainsi que le frittage des objets élaborés. AVANTAGES DE LA TECHNOLOGIE SLA-DLP: - Mise en forme d objets dans coût d usinage et d outillage - Réalisation d objets de géométrie extrêmement complexe (canaux internes, contredépouilles non accessible en fraisage - - Pièces denses et résistantes mécaniquement (i.e. fonctionnelles) - Coûts de fabrication réduits et flexibilité adaptée à la réalisation de petites séries. Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-SLA-CRIBC-V01 Page 2 of 2

3 Capacités de post-traitement des pièces de référence via équipement «flexible multi-techniques» CRM L équipement flexible et multi-techniques qui est prévu permettra d appliquer les traitements suivants aux pièces de référence qui auront été fabriquées par Sirris : 1. Traitement thermique superficiel 2. Re-fusion superficielle 3. Alliage de surface 4. Capacité de (re)construction locale De façon à répondre aux spécifications des différents post-traitements, l équipement «flexible et multi-techniques» aura les capacités suivantes : - Accès à tous les points des pièces à traiter et balayage à vitesse contrôlée - Approche des surfaces avec une inclinaison contrôlée - Puissance laser contrôlable - Possibilité de contrôle d atmosphère dans la zone de travail - Apport de matière qui sera fondue dans la zone de travail Pour être capable de remplir ces différentes fonctions, l équipement pourra par exemple être construit comme décrit ci-après. - Tête de traitement portée par une système de déplacement - Tête de traitement comprenant différents composants pouvant être intégrés dans la même tête ou dans plusieurs d entre elles : (i) Apport d énergie : par laser de puissance et éventuellement une autre source (ii) Concentration contrôlée de l apport énergétique (focalisation réglable de la puissance laser) (iii) Création de contrôle d atmosphère entourant la zone de travail (iv) Apport de matière à débit contrôlé, sous forme de poudre ou de fil. - Système de déplacement à deux fonctions : (i) Positionnement de la tête de traitement : il pourra être réalisé par un système cartésien ou par un robot (ii) Orientation de la tête : plusieurs axes de rotation contrôlés Il faut noter qu il s agit ici de premières spécifications; des données plus détaillées feront partie du cahier des charges qui sera utilisé pour le marché public et qui est en cours de rédaction. Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-Multiflexible-Finitions-CRM-V01 Page 1 of 3

4 1. TRAITEMENT THERMIQUE SUPERFICIEL : Le traitement thermique superficiel sera réalisé par un balayage de la surface da la pièce par un faisceau laser moyennement concentré. Le balayage à vitesse contrôle permettra le chauffage superficiel ; le refroidissement rapide par conduction assurera une trempe superficielle capable de modifier la microstructure. Les paramètres de concentration de puissance et de vitesse de balayage permettront de régler l intensité et dans une certaine mesure la profondeur de traitement. L atmosphère contrôlée entourant la zone de travail permettra d éviter l oxydation et dans certains cas d apporter des éléments qui pourraient renforcer le durcissement superficiel (essais de carburation ou nitruration à la volée ). 2. RE-FUSION SUPERFICIELLE : La re-fusion superficielle sera réalisée par un balayage de la surface da la pièce par un faisceau laser concentré. Les paramètres de concentration de puissance et de vitesse de balayage permettront de régler l intensité et dans une certaine mesure la profondeur de zone fondue. La re-fusion superficielle pourra avoir plusieurs effets (i) Traitement thermique lors de la solidification et du refroidissement (ii) Impact sur la rugosité ; en général lissage de la surface (iii) Réduction de la porosité dans les couches superficielles, ce qui sera très apprécié pour les pièces devant résister à la fatigue. L atmosphère contrôlée entourant la zone de travail permettra d éviter l oxydation et dans certains cas d apporter des éléments qui pourraient renforcer le durcissement superficiel (essais de carburation ou nitruration à la volée ). 3. ALLIAGE DE LA SURFACE : L alliage de surface sera réalisé par un balayage de la surface da la pièce par un faisceau laser concentré, tout en injectant de la matière d apport, sous forme de poudre, dans le faisceau concentré et dans le bain de fusion instantané. Les paramètres de concentration de puissance, de vitesse de balayage et d injection de poudre permettront de régler la nature et la profondeur de zone fondue. Ce traitement créera des revêtements sur tout ou partie de la surface de la pièce à traiter. Le métal d apport pourra être identique ou différent de celui qui compose la pièce traitée. La nature du métal déposé pourra varier, de façon à créer des gradients des couches. Une alternative au dépôt par poudres projetées sera constituée par une alimentation par fil métallique ; ce fil sera fondu soit par laser soit par arc. Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-Multiflexible-Finitions-CRM-V01 Page 2 of 3

5 4. CAPACITE DE (RE)CONSTRCTION : La (re)construction d éléments locaux sera réalisée de la même manière que l alliage de surface. La différence est qu il ne s agira plus de déposer un revêtement relativement mince mais plutôt des parties de pièces. Il s agira de contrôler le déplacement de la tête et les apports de métal pour obtenir la forme désirée. Le métal d apport pourra être identique ou différent de celui qui compose la pièce traitée. La nature du métal déposé pourra varier, de façon à créer des gradients des couches. Une alternative au dépôt par poudres projetées sera constituée par une alimentation par fil métallique ; ce fil sera fondu soit par laser soit par arc. En pratique, la (re) construction locale sera réalisée : (i) Soit par un déplacement contrôlé au-dessus de la surface de la pièce par d un faisceau laser concentré, tout en injectant de la matière d apport, sous forme de poudre, dans le faisceau concentré et dans le bain de fusion instantané (ii) (ii) Soit par une alimentation par fil métallique ; ce fil sera fondu soit par laser soit par arc. Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-Multiflexible-Finitions-CRM-V01 Page 3 of 3

6 Capacités de fabrication des pièces de référence via procédé LBM Sirris L équipement de fabrication additive LBM (Laser Beam Melting) acquis dans le cadre du portefeuille FEDER IAWATHA permettra de réaliser des pièces métalliques complexes et multifonctionnelles. PRINCIPE : La fabrication additive consiste à réaliser des pièces en les construisant couche après couche. Il existe plusieurs types de procédés. Celui qui nous concerne, le LBM est basé sur la technologie de la fusion de poudre étalée en couche. Une fine couche de poudre métallique est étalée sur la surface du plateau de fabrication. Le laser fait fondre les particules dans les zones constitutives de la pièce en respectant le fichier de la couche concernée. Le plateau descend alors d une valeur équivalente à une épaisseur de couche et le procédé se répète jusqu à obtention totale de la pièce. Les particules non fondues peuvent alors être récupérées et la pièce apparaît sur le plateau de fabrication. Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-LBM-SLM280-Sirris-V01 Page 1 of 2

7 Il sera alors nécessaire de procéder à divers opérations supplémentaires telles qu un éventuel traitement thermique de détente afin de minimiser les tensions internes, l enlèvement des supports, les post-usinages locaux nécessaires au respect des tolérances et/ou états de surface. MATERIAUX : Le procédé permet des réalisations dans une large gamme de matériaux comme le titane, aluminiums, inconel, aciers inox, aciers à outil ou au Co-Cr, inconels. Dans le cadre du portefeuille, nous tenterons de nous limiter prioritairement à l aluminium (AlSi10Mg et/ou AlSi7Mg) et au titane (TiAl6V4), sachant qu il est aussi possible éventuellement de considérer l acier inox 316l ou l Invar. PUISSANCE LASER : La machine dispose de 2 laser dont un de 400W et un de 1kW. Ce dispositif devrait permettre d optimiser une stratégie d exposition avec des paramètres à cœur et en peau différents de telle sorte à pouvoir garantir un bon niveau de tolérances et d aspects de surface en peau d une part, et une productivité relativement plus importante à cœur. VOLUME UTILE : La chambre de fabrication est constituée d un plateau de 280x280mm et dispose d une hauteur disponible de 365mm (+/-340mm utile). Et est équipée pour travailler sous atmosphère inerte. DISPONIBILITE : La machine est opérationnelle depuis début 2017 et est implémentée sur le site du PiMW à Liège. Elle devrait être équipée prochainement d un Meltpool monitoring (contrôle du bain de fusion) et d un Power monitoring (contrôle de la puissance laser). Portefeuille FEDER : IAWATHA Capacités-LBM-SLM280-Sirris-V01 Page 2 of 2