Enjeux industriels en mécanique : De l impression 3D à la fusion laser. Développement de matériaux en fabrication additive directe (fusion laser)

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1 Enjeux industriels en mécanique : De l impression 3D à la fusion laser Développement de matériaux en fabrication additive directe (fusion laser) 1

2 Les matériaux Actuellement, les matériaux métalliques utilisés en fusion laser : Les aciers : faiblement allié, maraging,... Les aciers inoxydables : austénitiques (304L, 316L,...), à durscissement structural (15-5PH ou 17-4PH),... Les alliages au Co-Cr-Mo Les alliages de titane (TA6V,...) Les alliages d aluminium La fusion laser est également possible sur les matériaux plastiques type PA12. 2

3 Les matériaux plastiques Le CETIM-CERTEC ne réalise pas de développement particulier en fusion laser sur les matériaux plastiques. La machine disponible : EOS FORMIGA P100 (zone de fabrication 200x250x330 mm) Exemples de réalisation : 3

4 Alliage Co-Cr-Mo L alliage Co-Cr-Mo (type 62% Co 29% Cr 6% Mo) nuance médicale conforme à l ASTM 75. Fusion laser sur lit de poudre avec machine PHENIX PM100 (100W) Stratégie de fabrication décalé en Z Poudre D 90 < 16µm Fabrication de cubes 10x10x10mm Totale Fermée Porosité 5,4% 2,3% Dureté 374HV30 4

5 Alliage Co-Cr-Mo Alliage Co-Cr-Mo (62% Co 29% Cr 6% Mo) Sur éprouvettes de traction => porosité fermée = 2,1% (idem cubes) XY sens cordon Z Référence Rm (Mpa) Rp0,2 (Mpa) 100A% (%) 5

6 Acier inoxydable 17-4PH Fusion laser sur lit de poudre avec machine PHENIX PM100 (100W) Stratégie décalé en Z fabrication de cubes 10x10x10mm Totale Fermée Porosité 2,8% 1,2% Dureté 310HV30 6

7 Acier inoxydable 17-4PH Influence d un traitement thermique (sur cubes 10x10x10mm) 480 Dureté HV 30kg Dureté du brut de frittage dense MS 30 min C MS 60 min C MS 30min C MS 60min C MS 30min C MS 60min C MS 30min C MS 60min C MS 30 ou 60 min à 1035 C Revenu : 1 à 16h à 480 C Temps de revenu (h) Peu d effet de la durée de mise en solution Pic de dureté : revenu entre 1 et 4h à 480 C Dureté décroit avec la température de revenu (480 C optimale) 450HV30 pour 4h de revenu à 480 C, contre 310HV30 sans TTh 7

8 Acier inoxydable 17-4PH Eprouvettes de traction : - porosité totale environ 6% suivant Z - porosité totale supérieure à 10% suivant X et Y C ontrainte (Mpa) Direction X - Rm Direction X - Rp0,2 Direction Y - Rm Direction Y - Rp0,2 Direction Z - Rm Direction Z - Rp0, Porosité totale P t (%) La porosité totale des éprouvettes est à l origine de l affaiblissement des caractéristiques mécaniques. 8

9 Alliage Co-Cr-Mo et Acier inoxydable 17-4PH Exemple de pièces réalisées Co-Cr-Mo Partie d une prothèse de genoux Pièce aviation pour rafale 17-4PH NEXTER Pièce de pistolet Pièce aviation pour rafale 9

10 Alliages d aluminium Alliage d aluminium maitrisé : AlSi10Mg Développement en cours au CETIM-CERTEC : Alliage d aluminium de fonderie type AlSi5Cu3Mg Alliage de corroyage de la série 2000 (exemple 2017A) et de la série 7000 (exemple 7075). Composite à matrice métallique d aluminium (CMM alu) => faciliter la mise en oeuvre des CMM. 10

11 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Fusion laser avec machine PHENIX SYSTEMS PM100 (équipée d un laser 200 W) Poudre du fabricant TLS : Sphérique Taux de densification de l ordre de 60% d 90 environ 32µm Stratégie de fabrication : croisée décalée en Z Retenue croisée 11

12 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Paramètres optimisés par un plan d expérience : Puissance (en W) Vitesse (en mm.s -1 ) Taux de recouvrement (%) Taux de compactage (%) Réalisation de cubes 10x10x10mm : Totale Fermée Porosité 2,6% 0,6% Dureté 137HV10 12

13 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction plan XY : Essais de traction sur éprouvettes "brut de fusion laser" Contrainte (en MPa) ou Allongement (en 10.A%) CETIM-CERTEC (200W) EOS (200W) EOS (400W) Référence K T6 0 Rm Rp0,2 10.A% 13

14 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction plan XZ : Essais de traction sur éprouvettes "brut de fusion laser" Contrainte (en MPa) ou Allongement (en 10.A%) CETIM-CERTEC (200W) EOS (200W) EOS (400W) Référence K T Rm Rp0,2 10.A% 14

15 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction plan XY et XZ : Courbes conventionnelles : essais de traction AlSi10Mg brut de fusion laser Contrainte (en MPa) plan XY plan XZ (1) Allongement (en %) (1) Machine Concept Laser M1 SLM (200W) Kempen K., Thijs L., Van Humbeeck J., Kruth J.P. Mechanical propeties of AlSi10Mg produced by selective laser melting. Physics Procedia, 2012, n 39, p

16 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction plan XY et XZ : Rm (en MPa) A % Dureté (HV) Direction XY CETIM-CERTEC 456 3,0 135 Littérature (1) 391 5, Direction Z CETIM-CERTEC 360 1,7 - Littérature (1) 396 3,47 - (1) Kempen K., Thijs L., Van Humbeeck J., Kruth J.P. Mechanical propeties of AlSi10Mg produced by selective laser melting. Physics Procedia, 2012, n 39, p

17 Quelques résultats sur l alliage AlSi10Mg Micrographie dans le plan XZ Micrographie dans le plan XY Mise en évidence des cordons de construction Observation de fines dendrites de solution solide d aluminium accompagnées d eutectique Al-Si aciculaire (et éventuellement de cristaux primaires de Si). Structure plus grossière en bordure de cordon => zone affectée thermiquement. 17

18 Développement en cours AlSi5Cu3Mg et 2017A Micrographie dans le plan XZ Alliage AlSi5Cu3Mg Alliage 2017A Porosité fermée importante (environ 7%) => travail d optimisation des paramètres (nécessité d augmenter la puissance laser). Porosité fermée importante (travail d optimisation) présence de fissures. Observation des cordons de construction. Dureté 69HBW1/10 18

19 Développement de structure de forme Structure lattice en AlSi10Mg Structure lattice en PA 2200 (EOS) 19

20 Arnold Mauduit Matériaux et procédés (alliages légers) Tél : arnold.mauduit@cetim-certec.com Siège social Bourges 9 boulevard Lahitolle CS Bourges cedex tél contact@cetim-certec.com 20