Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques

Réf. : BM7900 Date de publication : 10 février 2016 Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques Cet article est issu de : Mécanique Travail des matériaux - Assemblage par Sébastien PILLOT Mots-clés fusion laser sélective dentaire médical aéronautique aérospatial outillage d'injection matériaux et conception adaptée Résumé La fusion laser sélective de lit de poudres métalliques est une technique de fabrication additive qui permet la réalisation de pièces complexes jusqu'à de moyennes séries pour des secteurs industriels variés comme l industrie médicale ou l aérospatiale. Afin de tirer le meilleur parti de cette technologie, il est nécessaire de l intégrer dans une chaîne de valeur complète allant de la conception aux post-traitements. Cet article traite de cette chaine de valeur. Après une décennie d existence commerciale, cette technologie évolue vers un cadre normatif en cours de construction au niveau mondial. Keywords selective laser melting dentistry medicine aeronautics aerospace injection tooling material and adapted design Abstract Selective laser melting of metal powder bed is an additive manufacturing technique that allows the production of complex parts up to medium series for various industries such as medicine or aerospace one. To make the most of this technology, it is necessary to integrate it into a complete value chain from upstream design conception to downstream post- treatment. This article will explain this complete value chain In addition, after nearly a decade of commercial life, it evolves into a normative framework construction yard in the world. Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l Ingénieur Pleyad 1-39, bd Ornano 93200 Saint-Denis Document téléchargé le : 20/04/2016 Pour le compte : 7200038811 - universite d'orleans // 194.167.30.120 Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Techniques de l'ingénieur tous droits réservés

Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques par Sébastien PILLOT Ingénieur R&D CETIM-CERTEC, Bourges, France 1. Principe général de la fusion laser sélective de lit de poudres métalliques... BM 7 900-2 2. Équipements actuels... 2 3. Exemples de réalisation... 2 4. Supports de fabrication... 5 5. Paramètres influents du procédé... 6 6. Temps de fabrication... 9 7. Matériaux mis en œuvre... 10 8. Adapter la conception au procédé... 18 9. Travaux de normalisation... 21 10. Perspectives... 21 11. Glossaire... 21 Pour en savoir plus... Doc. BM 7 900 A pparue vers la fin des années 1990, la fusion laser sélective sur lit de poudres métalliques (Selective Laser Melting SLM) est une technique de fabrication par ajout de matière couche par couche, dite itérative, de la famille des procédés de fabrication additive. Elle apporte des solutions innovantes pour la fabrication directe avec la matière adéquate de pièces mécaniques. C est un procédé destiné à fabriquer des pièces complexes à forte valeur ajoutée à partir d un fichier CAO (Conception Assistée par Ordinateur) dans de courts délais et sans outillage. Les domaines d applications de cette technologie concernent plusieurs secteurs industriels, principalement les industries dentaire, médicale, du moule d injection de polymères, aéronautique, spatiale, de l armement, mais aussi le luxe. Elle peut être utilisée comme moyen de prototypage rapide mais surtout comme moyen de production de pièces en petites ou moyennes séries. Dans ce cas, nous parlerons alors de fabrication directe. Les principaux avantages de cette technologie sont la réduction des délais et des outillages, l allégement, la personnalisation, la réalisation de canaux de régulation thermique internes dits conformes et la diminution du nombre d éléments d un assemblage par la réalisation de pièces de géométries irréalisables avec des procédés conventionnels. Cet article sur la fusion laser traite de la chaîne de valeur, depuis la conception jusqu aux post-traitements, nécessaires pour assurer un bon niveau de qualité pour ces différents secteurs industriels. Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 1

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES 1. Principe général de la fusion laser sélective de lit de poudres métalliques Couche d épaisseur donnée Parution : février 2016 - Ce procédé consiste à agréger par fusion sélective dans une enceinte sous gaz neutre les particules d un lit de poudre à l aide d un faisceau laser qui balaie la surface et fait fondre simplement la poudre sur une section déterminée par le fichier STL. Après solidification de la couche, la plateforme de construction est abaissée pour pouvoir étaler une nouvelle couche de poudre d épaisseur prédéterminée. Le laser balaie à nouveau la surface de la poudre pour créer une section additionnelle superposée à la couche précédente (figures 1 et 2). La pièce en 3D est en quelque sorte un empilement de strates planes en 2D. Ce procédé de fabrication nécessite la construction de supports d édification pour certaines pièces comportant des surfaces en contre-dépouille. À l inverse du frittage laser sur lit de poudres polymères, la poudre n est pas totalement autoporteuse. En fin de process, nous trouvons, dans la zone de fabrication, la ou les pièces mises en forme, les supports d édification entre le plateau de fabrication et les pièces, ainsi que de la poudre non fusionnée (figure 3). Gaz neutre Système de mise en couche Faisceau laser Figure 1 Schéma de principe du procédé de fusion laser sélective Figure 2 Effet du laser sur la couche de poudre BM 7 900 2 Tête Beam scanner = expender = Collimateur = Laser Lentille f-thêta Hublot Poudre Pièce Plateforme de fabrication Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés CAO d origine Support d édification Figure 3 Schéma de principe d une pièce et des supports d édification La chaîne numérique est la même que pour tous les autres procédés de fabrication additive avec supports d édification, à savoir : fichier CAO au format classique ; transformation en fichier STL ; positionnement dans la zone virtuelle de travail ; mise en place virtuelle des supports d édification ; tranchage du ou des fichiers STL (passage du 3D au 2D) ; calcul des trajectoires laser ; fabrication itérative des tranches 2D. 2. Équipements actuels Plateau de fabrication À ce jour, le marché de la fusion laser se partage entre six constructeurs principaux (EOS, 3D Systems, SLM Solutions, Concept Laser, Renishaw et Realizer). Généralement, ces constructeurs proposent des machines et des poudres de différents matériaux avec leurs paramètres d utilisation (tableau 1). Il est toutefois possible d utiliser d autres sources d approvisionnements en poudres sous réserve de ne pas sortir du domaine de garantie des machines et d en trouver les paramètres de mise en œuvre. 3. Exemples de réalisation Dans le cas de la fabrication directe (fabrication de pièces finales et non de prototypes), les principaux secteurs utilisateurs sont la plasturgie, le dentaire, le médical, l aérospatial, l aéronautique, le sport mécanique de compétition et la bijouterie. Dans le cas de la fabrication de prototypes, tous les secteurs industriels peuvent être potentiellement représentés. Dans la plasturgie, cette technologie est utilisée pour la réalisation d empreintes ou de parties d empreintes de moules d injection de polymères avec de nouvelles fonctionnalités internes (canaux de régulation thermique passant au plus près des surfaces moulantes). Cela permet d obtenir des pièces série «bonne matière et bon procédé» avec des gains de productivité de l ordre de 20 à 40 % sur les temps de cycle par rapport aux outillages conventionnels (figure 4). Le matériau généralement employé pour cette application est l acier maraging X3NiCoMoTi 18 9 5 traité thermiquement.

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Tableau 1 Machines proposées par les constructeurs en 2014 Constructeur Machine X (mm) Dimension zone de fabrication Y (mm) Z (mm) Volume (l) Puissance source laser (W) M 80 Diamètre 80 mm 95 0,5 100 EOS M 280 250 250 325 20,3 200 ou 400 M 290 250 250 325 20,3 400 M 400 400 400 400 64,0 1 000 PX100 100 100 80 0,8 50 3D SYSTEMS (ex PHENIX SYSTEMS) PX200 140 140 100 2,0 300 PX300 250 250 300 18,8 500 PX400 500 500 500 125,0 2 500 ou 1 000 125 HL 125 125 75 ou 125 1,2 ou 2 100 ou 200 SLM SOLUTIONS 280 HL 280 280 350 27,4 500 HL 500 280 325 45,5 400 ou 400 et 1 000 2 400 ou 2 400 et 2 1 000 Mlab 50 ou 70 ou 90 50 ou 70 ou 90 80 0,2 ou 0,4 ou 0,6 100 M1 250 250 250 15,6 200 CONCEPT LASER M2 250 250 280 17,5 200 ou 400 M3 Linear 300 350 300 31,5 200 ou 400 X line 1000R 630 400 500 126,0 1 000 RENISHAW AM250 250 250 300 ou 360 18,8 ou 22,5 200 ou 400 SLM 50 Diamètre 70 mm 40 0,2 120 REALIZER SLM 100 125 125 200 3,1 200 SLM 250 250 250 300 18,8 400 ou 600 SLM 300 300 300 300 27,0 Jusqu à 1 000 Figure 4 Empreintes d injection plastique avec canaux de régulation «conformes» ( Renishaw) Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 3

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Pour le secteur dentaire, plusieurs fabricants d équipement de fusion laser sélective ont qualifié leurs machines pour la fabrication directe de couronnes, de chapes et de bridges, exclusivement en alliages cobalt-chrome (figure 5). Dans le domaine médical, cette technologie est utilisée pour la réalisation de prothèses, telles que des implants de genoux ou des jointures de hanches. Ces prothèses sont fabriquées en alliage de titane TiAl6V ou en alliage de chrome-cobalt CoCrMo. Avec cette technologie, il est possible de façonner des prothèses personnalisées et/ou ayant des états de surface particuliers, généralement à base de structures en lattices, ce type de construction favorisant l ostéo-intégration (figure 6). Dans les secteurs de l aérospatial, de l aéronautique et du sport mécanique de compétition, elle est utilisée pour la réalisation de pièces complexes en petite série. Pour obtenir une réduction de masse, cette technologie est souvent associée à l optimisation topologique (ne mettre de la matière que là où c est nécessaire) (figure 7). Les matériaux utilisés sont des alliages de titane et d aluminium, ainsi que des aciers inoxydables et des superalliages. Figure 5 Bridges et couronnes dentaires en CoCrMo ( Phenix Systems et EOS) Parution : février 2016 - Figure 6 Cotyles personnalisés avec structure lattice en surface ( Mobelife) Figure 7 Exemples de pièces aéronautiques issues d optimisation topologique BM 7 900 4 Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Figure 8 Exemple de bijoux ( Concept Laser) Du fait de la possibilité de mise en œuvre de matériaux précieux comme l or et le platine, cette technologie est également utilisée par le secteur de la bijouterie (figure 8). 4. Supports de fabrication Lors d une fabrication, la température de l enceinte étant très loin du point de fusion de la poudre, à l inverse du frittage laser sur lit de poudres polymères, les retraits matière sont importants. Donc, si les premières couches fabriquées par laser d une pièce ne sont pas solidement bridées au plateau de fabrication par des supports, elles s incurvent. De plus, si les supports ne sont pas assez nombreux ou robustes, la fabrication peut se «crasher». Le système de mise en couche peut alors se retrouver bloqué par une partie de la pièce en cours d édification qui se soulève (figure 9). Dans ce cas, il faut relancer la fabrication depuis le début en prenant soin de prévoir des supports plus robustes ou plus nombreux. La figure 9 met en évidence ce phénomène d incurvation lors d une fabrication [1]. Les supports utilisés dans ce cas n étaient pas assez robustes pour compenser les contraintes mécaniques engendrées par le retrait de la matière. La surface du support en contact avec le plateau de fabrication ou la pièce n était pas assez importante. Selon le type de matériau mis en œuvre, toutes les surfaces en contre-dépouille qui présentent un angle par rapport au plan XY (horizontal) inférieur à un certain angle limite détaillé dans le tableau 2 doivent être supportées. Des logiciels spécifiques permettent de mettre en place les supports nécessaires avec des géométries adaptées pour limiter au maximum leur impact sur la pièce à construire (figure 10). Tableau 2 Angle limite en fonction de la nature du matériau Famille de matériaux Angle limite Titane 20 à 30 Acier 30 Chrome-cobalt 30 Inconel 45 Aluminium 45 Les supports sont bien évidemment dans la même matière que les pièces construites. Pour récupérer les pièces, il faut ensuite les enlever par des moyens dits conventionnels. Les étapes de fabrication et d enlèvement des supports, peuvent représenter une proportion non négligeable du coût d une pièce. Dans le cas de l utilisation de la fusion laser comme moyen de production, et non comme moyen de prototypage rapide, il est donc primordial d adapter la conception des pièces pour ce procédé, au même titre que l on adapte la conception d une pièce moulée par exemple. L idée est de concevoir des pièces qui s auto-portent au maximum afin de limiter la présence de supports. Quelques règles de conception adaptées sont détaillées dans le paragraphe 8. Des pièces adaptées à la fusion laser peuvent toutefois nécessiter encore beaucoup de supports pour leur réalisation (figure 11). Figure 9 Mise en évidence du phénomène d incurvation [1] Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 5

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Point Line Gusset Web Contour Block Pour de très petites surfaces et des faces inférieures Pour de petites surfaces ou côtés Pour des surplombs importants Pour des surfaces arrondies Pour un démontage facile Le meilleur choix pour les surfaces importantes Figure 10 Différentes géométries de supports d édification ( Materialise) près des cotes avec un bon état de surface. Pour ce faire, de nombreux paramètres influent sur l obtention de ces objectifs. Nous détaillons ci-dessous une liste non exhaustive de ces différents paramètres. 5.1 Poudre Parution : février 2016 - Figure 11 Pièces nécessitant une quantité importante de support 5. Paramètres influents du procédé Les objectifs majeurs de la fusion laser sont la fabrication de pièces denses (typiquement avec des taux de porosité inférieurs à 1 %), présentant de bonnes caractéristiques mécaniques, au plus Fréquence (% vol) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 BM 7 900 6 0,3 0,4 0,6 0,8 1,2 1,6 2,3 3,2 4,5 6,2 8,7 12,1 16,9 23,6 32,8 45,8 63,9 89,1 124,3 173,3 241,7 Taille des particules (µm) Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Les épaisseurs de couches déposées vont typiquement de 20 µm pour les plus fines à moins de 100 µm pour les plus épaisses. Les grains des poudres utilisées doivent présenter des granulométries fines en rapport. De plus, afin d assurer une bonne densité du lit de poudre avant le passage du laser, les poudres utilisées présentent une répartition granulométrique de type Gaussienne et une morphologie des grains la plus sphérique possible (figure 12 et [2]). De ce fait, les poudres actuellement mises en œuvre pour le procédé de fusion laser sont généralement élaborées par atomisation sous gaz neutre (Argon). L atomisation (figure 13) consiste à morceler en gouttelettes un filet de matière obtenu à partir d un bain de matière métallique en fusion dans un autoclave. Les gouttelettes de matière se solidifient dans la chambre d atomisation grâce à un échange convectif avec le gaz ambiant (Ar) et donnent de la poudre. Celle-ci est collectée dans des pots réceptacles en partie basse de la tour et à la sortie des gaz d atomisation. Le procédé permet d obtenir des poudres de granulométrie resserrée, comprise généralement entre 1 et 100 µm, et de morphologie sphérique. Figure 12 Répartition granulométrique et vue en microscopie électronique à balayage (MEB) de la morphologie d une poudre d AlSi10Mg [2]

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES 5.2 Enceinte de fabrication AUTOCLAVE Bain en fusion Les fabrications sont effectuées sous atmosphère contrôlée (Ar ou N 2 ). Le choix du gaz protecteur est défini par le type de matériau utilisé. La pureté du gaz, ainsi que l étanchéité de l enceinte de fabrication jouent un rôle important sur le procédé de fusion. Souvent la température de l enceinte peut être un élément majeur de la fabrication, car elle peut conduire à étuver la poudre ou à relaxer des contraintes. Point Gouttelettes de désintégration Chambre d atomisation??? Sortie du gaz Cyclone 5.3 Mise en couche L étape de la mise en couche est l une des étapes les plus importantes du procédé. Parmi les systèmes principaux de mise en couche de la poudre, nous distinguons la déposition par racleur dur ou souple (par exemple chez EOS ou SLM Solutions), la déposition par rouleau (par exemple chez 3D Systems) et la déposition à trémie (le piston de fabrication est descendu d une certaine distance, puis la trémie, remplie de poudre, est déplacée horizontalement). Dans le but de garantir des mises en couche avec le moins de défauts possible, des logiciels de contrôle de la qualité du lit de poudre par analyse d images ont été développés par les constructeurs (figure 14). Si le logiciel détecte un défaut, la mise en couche est refaite avant de déclencher la phase d action du laser. 5.4 Épaisseur de couche Pots réceptacles de poudre L épaisseur de couche E c définie lors du tranchage du fichier STL est un paramètre qui influence directement la résolution en z de la pièce finale, le phénomène d escalier et la durée de la fabrication. Des couches fines améliorent la résolution, mais augmentent le temps de construction. Actuellement, les fabrications se font avec des couches de 20 à 100 µm. L effet escalier est d autant plus visible sur les surfaces qui présentent un angle d inclinaison faible par rapport au plan XY et est bien sûr accentué avec des épaisseurs de couches importantes (figure 15). Figure 13 Schéma de principe d une tour d atomisation ( Lermps) La composition chimique de la poudre avant et après fusion laser a également une influence. Il n est pas rare de constater des différences de composition avant et après fusion laser, notamment sur des éléments de type carbone, magnésium et zinc par exemple. La composition de la poudre doit alors être adaptée pour qu après fusion laser, la composition soit dans les spécifications. Les conditions de stockage sont également à prendre en compte car elles influent sur le taux d oxygène et le taux d humidité de la poudre. 5.5 Laser Les sources laser présentes dans les machines de fusion sont des Nd:YAG fibrés de longueur d onde 1 064 nm, avec des puissances allant de 50 à 1 000 W, et utilisés en mode continu. Les faisceaux sont de type Gaussien ou, depuis peu, uniforme sur certains lasers de 1 000 W. Sur certains équipements, il est possible de trouver jusqu à quatre sources laser qui travaillent simultanément. Il existe par exemple une nuance spécifique de titane, du TiAl6V ELI où le taux d oxygène contenu dans la poudre ne doit pas dépasser 0,13 % contre 0,2 % pour la nuance classique. La poudre de titane (TiAl6V) est vendue par les constructeurs de machine aux environs de 500 le kilogramme. Pour réaliser une fabrication au maximum de la hauteur dans une machine avec un bac d un volume de 125 l (la plus grosse machine du marché), il faut approximativement 137 500 de poudre (soit 275 kg) en considérant que la densité d un lit de poudre est moitié moindre que celle de la matière pleine. En acier, le poids de poudre engageable dans cette machine est de l ordre d une demi-tonne. Figure 14 Logiciel de contrôle de la qualité des mises en couche ( SLM Solutions) Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 7

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Effet escalier Enveloppe haute Angle avec le plan XY Contour Angle avec le plan XY Figure 15 Schéma de principe de l effet escalier Parution : février 2016-5.6 Chaîne optique La chaîne optique des machines de fusion laser est constituée d un collimateur, d un beam expender, d une tête galvanométrique (ou scanner) et d une lentille F-Thêta. Le collimateur permet d obtenir un faisceau de rayons parallèles en sortie de la fibre optique. Le beam expender permet d augmenter le diamètre du faisceau laser. Par exemple, avec un beam expender réglé sur 3 et un diamètre de faisceau laser en entrée de 5 mm, le diamètre en sortie sera alors de 3 5 = 15 mm. La tête galvanométrique est constituée de deux miroirs effectuant des mouvements de rotation, l un autour de l axe X et l autre autour de l axe Y. Ces deux rotations permettent de déplacer le spot laser sur la surface de la zone de travail. La lentille F-Thêta ou lentille à champ plat est utilisée pour focaliser sur un plan le faisceau en sortie de la tête galvanométrique. Elle permet de maintenir le diamètre du spot sur le plan de travail le plus constant possible. La densité d énergie est alors homogène sur toute la zone de fabrication. En outre, plus le diamètre D du faisceau laser avant la lentille est important, plus il est faible en sortie d. La relation entre les diamètres d entrée et de sortie est donnée par la formule (1). Cela explique la présence du beam expender dans la chaîne optique. avec λ longueur d onde du laser, f distance focale de la lentille. 5.7 Contour, enveloppe et cœur Comme le montre la figure 16, un fichier STL est découpé en tranches de même épaisseur, où nous distinguons le contour de la pièce et le remplissage du cœur [2]. Le contour de la pièce n est pas continu, il existe des zones en contact avec de la poudre non fusionnée qui ne sont ni du contour, ni du remplissage du cœur. Ces zones constituent l enveloppe de la pièce avec la peau haute et la peau basse et peuvent avoir des paramétrages différents du cœur dans un objectif d amélioration de l état de surface de la pièce construite. Généralement, l enveloppe basse se réalise avec un jeu de paramètres laser moins énergétique que le cœur, et l enveloppe haute plus énergétique. Un jeu de paramètres moins (plus) énergétique que le cœur peut se faire par exemple en diminuant (augmentant) la puissance du laser et/ou en augmentant (diminuant) la vitesse de déplacement du balayage laser et/ou en augmentant (diminuant) l espacement entre les traits laser. BM 7 900 8 f d = 4λ πd (1) Enveloppe basse Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Figure 16 Schéma de principe du contour, des enveloppes et du cœur [2] 5.8 Stratégie de construction La stratégie de construction correspond, pour le cœur d une pièce, à la manière d agencer les traits laser entre les différentes couches. Beaucoup de stratégies de construction ont été étudiées ces dix dernières années. Toutefois, les plus utilisées sont la stratégie dite croisée à 90 et la stratégie en damier comme illustrées sur la figure 17. La stratégie croisée à 90 signifie que l angle entre les traits laser de deux couches successives est de 90. Toutefois, au sein d une couche, les traits laser sont parallèles les uns aux autres. Il est également fréquent de rencontrer une stratégie croisée à 67. La stratégie en damier est, quant à elle, une stratégie croisée particulière. L alternance d orientation des traits laser se faisant entre «les cases noires et les cases blanches» et non d une couche à l autre. La dimension des cases du damier est de l ordre de quelques millimètres de côté, généralement 5 mm. La stratégie croisée permet de limiter l anisotropie des propriétés mécaniques entre les directions X et Y. Quant à la stratégie en damier, elle permet, en plus, de limiter les contraintes résiduelles dans le cas de pièces massives comme des empreintes de moules d injection plastique par exemple. 5.9 Vitesse de balayage laser Cœur La vitesse de balayage laser V correspond à la vitesse de déplacement du spot laser au niveau du lit de poudre. Le déplacement du faisceau laser est assuré par les deux miroirs en rotation de la tête scanner. Pour atteindre sur la longueur d un trait laser une vitesse de déplacement constante, les deux miroirs doivent d abord accélérer, puis décélérer à la fin du trait laser. Ces phases d accélération et de décélération se font en amont et en aval du trait laser sans que le laser soit enclenché. Il s agit de la technique du skywriting (écriture dans le ciel) (figure 18). Suivant le matériau, pour des lasers de puissance élevée, ces phases d accélération et de décélération peuvent représenter un temps non négligeable par rapport au temps de lasage à proprement parler et donc être néfastes pour la productivité de la machine.

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES croisée à 90 croisée à 67 en damier n + 1 n n 1 n + 2 (67 ) n + 1 (67 ) Slice n+1 z y Alternance n Slice n x Figure 17 Différentes stratégies de construction 5.11 Corrections dimensionnelles Vitesse de balayage laser V (mm/s) Déclenchement laser Section 2D pièce Vitesse stable Arrêt laser La fabrication par fusion laser engendre des retraits thermiques. Afin de compenser ces retraits et d assurer au mieux le respect des dimensions des pièces, des corrections géométriques sont normalement appliquées. Ces corrections sont du type : grossissement du fichier STL (facteurs multiplicatifs selon les trois directions X, Y et Z) ; décalage du faisceau laser par rapport au contour de la pièce (facteur additif selon les deux directions X et Y) ; «Z compensation» (facteur additif selon la direction Z). 5.12 Post-traitements Accélération Figure 18 Principe du skywriting ( EOS) 5.10 Écart vecteur Décélération L écart vecteur E v correspond pour la stratégie de remplissage à la distance entre deux traits laser successifs. Cet écart vecteur peut être relié à la largeur des traits laser L c et au taux de recouvrement T r de ceux-ci par la formule (2) (figure 19). À l opposé de l écart vecteur, l intérêt du taux de recouvrement est d être indépendant des autres paramètres du procédé. L c Tr Ev = Lc 1 100 E v Figure 19 Schéma de principe de l écart vecteur E v, de la largeur du cordon L c et du taux de recouvrement T r T r (2) À la sortie de la machine, une pièce n est pas terminée. Elle est reliée au plateau de fabrication par des supports d édification. De plus, l état de surface, les dimensions, l état de contraintes résiduelles et l état métallurgique ne sont pas forcément conformes au cahier des charges. Il est donc nécessaire de réaliser des post-traitements. Les plus courants sont le grenaillage et le traitement thermique de détentionnement avant de désolidariser les pièces et leurs supports du plateau de fabrication par découpe à fil. L enlèvement des supports, la mise aux cotes et la réalisation d éléments de type filetage/taraudage sont ensuite mis en œuvre par des procédés conventionnels d usinage. Des traitements thermiques et de la compression isostatique à chaud peuvent également être réalisés. 6. Temps de fabrication L objet de ce paragraphe est de donner une méthode simple d estimation des temps de fabrication par fusion laser en ayant pour seules informations, le volume des pièces et la hauteur de la fabrication h. Cette estimation du temps de fabrication ne prend pas en compte les temps de chauffage et de refroidissement de l enceinte, de réalisation des supports de construction, des contours et de l enveloppe de la pièce ainsi que du temps entre deux traits laser successifs (skywriting et le temps entre la fin d un trait et le début d un autre). Le temps de fabrication peut être décomposé en deux phases, une phase de mise en couche et une phase de construction laser (3) : tfabrication = tmise en couche + tconstruction laser (3) Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 9

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Référence bibliographique Tableau 3 Vitesses de construction laser selon différentes sources Matériaux Puissance laser Épaisseur de couche E c Vitesse de balayage laser V Écart vecteur E v Vitesse de construction laser (W) (µm) (mm s 1 ) (µm) (cm 3 h 1 ) [4] AlSi10Mg 200 30 1 400 105 15,9 [3] AlSi10Mg 900 50 1 700 250 76,5 [5] AlSi10Mg 250 50 500 150 13,5 [6] X110CrMoVAl 8-2 150 30 700 75 5,7 [7] Acier maraging 105 30 150 112 1,8 [8] Ti6Al4V 250 30 1 600 60 10,4 Parution : février 2016 - Pour la phase de construction laser, la référence [3], propose comme vitesse de construction laser la formule (4) : où E v est l écart vecteur et E c l épaisseur de couche. Connaissant le volume d une pièce, il est alors possible d estimer le temps de la phase de construction laser avec la formule (5) : Nous avons calculé, dans le tableau 3, pour différentes sources bibliographiques des vitesses de construction laser en fonction du matériau et de la puissance laser utilisée. Ces vitesses sont données à titre indicatif. Pour la phase de mise en couche, le temps est donné par le nombre de couches nécessaires à la réalisation d une fabrication et au temps d une mise en couche (6) : Par exemple, pour une hauteur de construction de 300 mm avec des épaisseurs de couches de 30 µm, il faut déposer 10 000 couches. Le temps nécessaire au dépôt d une couche étant généralement compris entre 5 et 10 s, il faut donc entre 14 et 28 h de mise en couches. 7. Matériaux mis en œuvre L objet de ce chapitre est de dresser une liste non exhaustive des matériaux mis en œuvre par fusion laser et commercialisés par les constructeurs de machines. Il est tout à fait possible de mettre en œuvre des matériaux identiques, mais dont la poudre provient d une autre source que le constructeur de machine. 7.1 Aciers maraging L acier le plus utilisé en fusion laser est l acier maraging X3NiCoMo18-9-5 ou maraging 300. Il est notamment utilisé pour la réalisation d empreintes d injection plastique. Les aciers maraging, c est-à-dire à maturation de la martensite, sont des alliages qui présentent d importantes duretés et résistances, en gardant une bonne ductilité. Ces aciers se distinguent par le fait que leur BM 7 900 10 Vconstruction laser = VEvEc volume pièce tconstruction laser = Vconstruction laser hauteur de construction tmise en couche = td une mise en couche Ec (4) (5) (6) Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Tableau 4 Composition chimique de l acier maraging, données constructeurs [9] Acier maraging Fe résistance n est pas uniquement due à leur teneur en carbone, mais est liée à la présence de précipités intergranulaires. L état maraging est obtenu par un revenu après trempe. En fusion laser, cet acier présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 4 et 5 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 19,8 cm 3 h 1 pour des épaisseurs de couche de 50 µm avec un laser de 400 W. 7.2 Aciers inoxydables Pourcentage massique (%) min Le reste max Ni 17 19 Co 8,5 9,5 Mo 4,5 5,2 Ti 0,6 0,8 Al 0,05 0,15 Cr 0,5 Cu 0,5 C 0,03 Mn 0,1 Si 0,1 P 0,01 Si 0,01 Les aciers inoxydables les plus couramment mis en forme par fusion laser sont le 316L (X2CrNiMo17-12-02), le 17-4PH (X5CrNiCuNb16-4) et le 15-5PH (X5CrNiCuNb16-4). L acier inoxydable 316L est un acier austénitique qui présente une résistance chimique et des caractéristiques mécaniques élevées. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 6 et 7 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm 3 h 1.

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Tableau 5 Caractéristiques mécaniques en traction de l acier maraging, données standards et constructeurs [9] Acier maraging R m R p0,2 A% E Dureté (MPa) (MPa) (%) (GPa) (HRC) Forgé 1 170 à 1 000 6 à15 180 35 Mise en solution par recuit (1 h à 815 C) puis vieilli thermiquement (3 h à 480 C) 2 050 7 190 52 EOS XY 1100 ± 100 1050 ± 100 10 ± 4 160 ± 25 33 à 37 EOS Z 1 10 ± 100 1 000 ± 100 10 ± 4 150 ± 20 33 à 37 EOS traité thermiquement 490 C 6 h refroidissement à l air 2 050 ± 100 1 990 ± 100 4 ± 4 180 ± 20 50 à 56 SLM Solutions 1 015 ± 34 854 ± 50 10 ± 1 142 ± 43 32 Tableau 6 Composition chimique de l acier inoxydable 316L, données constructeurs [9] 316L Fe Pourcentage massique (%) min Le reste max Cr 17 19 Ni 13 15 Mo 2,25 3 C 0,03 Mn 2 Cu 0,5 P 0,025 S 0,01 Si 0,75 N 0,1 Tableau 7 Caractéristiques mécaniques en traction de l acier inoxydable 316L, normes et données constructeurs [9] 316L R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) EOS XY 640 ± 50 530 ± 60 40 ± 15 185 EOS Z 540 ± 55 470 ± 90 50 ± 20 180 SLM Solutions 654 ± 49 550 ± 39 35 ± 4 169 ± 31 Le 17-4 PH est un acier inoxydable martensitique à durcissement structural. Il se transforme complètement en martensite à partir de traitement d austénitisation. Le durcissement par précipitation de cet acier inoxydable est obtenu par vieillissement entre 400 et 500 C. Sa composition chimique assure un bon compromis résistance/ ductilité. Il présente une forte résistance à la rupture ainsi qu une bonne dureté jusqu à des températures proches de 300 C et une bonne résistance à la corrosion. Il est possible d optimiser ses propriétés mécaniques en utilisant des traitements thermiques variés. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 8 et 9 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm 3 h 1 pour des épaisseurs de couche de 20 µm avec un laser de 200 W. Le 15-5 PH est un acier inoxydable martensitique à durcissement structural par le cuivre. Il possède une composition chimique rééquilibrée par rapport au 17-4 PH, qui lui assure une teneur minimale en ferrite delta proche de 0. La refusion permet d atteindre un niveau de propreté inclusionnaire supérieur, lui procurant ainsi des caractéristiques optimales de ténacité et de ductilité. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 10 et 11 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 11,5 cm 3 h 1 pour des épaisseurs de couche de 40 µm. Tableau 8 Composition chimique de l acier inoxydable martensitique 17-4 PH, données constructeurs [9] 17-4 PH Fe Pourcentage massique (%) min Le reste max Cr 15 17,5 Ni 3 5 Cu 3 5 Mn 1 Si 1 Mo 0,5 Nb 0,15 0,45 C 0,07 Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 11

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Tableau 9 Caractéristiques mécaniques en traction de l acier inoxydable martensitique 17-4 PH, normes et données constructeurs [9] 17-4 PH Aubert et Duval hyper trempé ou mis en solution + vieillissement à 550 C 4 h R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) 1 070 1 000 10 200 EOS XY 930 ± 50 mini 850 586 ± 50 mini 530 31 ± 5 mini 25 170 ± 30 EOS Z 960 ± 50 mini 850 570 ± 50 mini 530 35 ± 5 mini 25 170 ± 30 EOS XY traité thermiquement 600 C 1 h 1 100 590 29 180 EOS Z traité thermiquement 600 C 1 h 980 550 31 180 Parution : février 2016 - Tableau 10 Composition chimique de l acier 15-5 PH, données constructeurs [9] 15-5 PH Fe BM 7 900 12 Pourcentage massique (%) min Le reste max Cr 14 15,5 Ni 3,5 5,5 Cu 2,5 4,5 Mn 1 Si 1 Mo 0,5 Nb 0,15 0,45 C 0,07 Tableau 11 Caractéristiques mécaniques en traction de l acier 15-5 PH, normes et données constructeurs [9] 15-5 PH Aubert et Duval hyper trempé ou mis en solution + vieillissement à 550 C 4 h R m R p0,2 A% (MPa) (MPa) (%) 1 120 1 060 15 EOS XY 1 150 ± 50 1 050 ± 50 16 ± 4 EOS Z 1 050 ± 50 1 000 ± 50 17 ± 4 EOS XY traité thermiquement EOS Z traité thermiquement 1 450 ± 100 mini 1 310 1 450 ± 100 mini 1 310 1 300 ± 100 mini 1 170 1 300 ± 100 mini 1 170 12 ± 2 mini 10 12 ± 2 mini 10 SLM Solutions 1 100 ± 50 1 025 ± 25 16 ± 4 7.3 Supers alliages Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Les supers alliages à base nickel les plus couramment mis en forme par fusion laser sont l inconel 625 (NiCr22Mo9Nb), l inconel 718 (NiCr19Fe19Nb5Mo3) et l hastelloy X (NiCr22Fe18Mo). L inconel 625 est un alliage qui se caractérise par une bonne résistance à la traction, à la fatigue, au fluage et qui présente une bonne tenue à la corrosion. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 12 et 13 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm 3 h 1. L inconel 718 est un alliage à durcissement par précipitation qui se caractérise par une bonne résistance à la traction, à la fatigue et au fluage pour des températures allant jusqu à 700 C. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 14 et 15 [9]. Tableau 12 Composition chimique de l inconel 625, données constructeurs [9] Pourcentage massique Inconel 625 (%) min max Ni 58 Le reste Cr 20 23 Mo 8 10 Nb 3,15 4,15 Fe 5 Ti 0,4 Al 0,4 Co 1 C 1 Ta 0,05 Si 0,5 Mn 0,5 P 0,015 S 0,015

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Inconel 625 Tableau 13 Caractéristiques mécaniques en traction de l inconel 625, normes et données constructeurs [9] R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) Aubert et Duval hyper trempé ou mis en solution 850 450 40 206 + vieillissement EOS XY 990 ± 50 725 ± 50 35 ± 5 170 ± 20 EOS Z 900 ± 50 615 ± 50 42 ± 5 140 ± 20 EOS XY traité thermiquement 870 C 1 h EOS Z traité thermiquement 870 C 1 h 1 040 ± 100 mini 827 930 ± 100 mini 827 720 ± 100 mini 414 650 ± 100 mini 414 35 ± 5 mini 30 44 ± 5 mini 30 170 ± 20 160 ± 20 SLM Solutions 961 ± 41 707 ± 41 33 ± 2 182 ± 9 Tableau 14 Composition chimique de l inconel 718, données constructeurs [9] Pourcentage massique Inconel 718 (%) min max Fe Le reste Ni 50 55 Cr 17 21 Nb 4,75 5,5 Mo 2,8 3,3 Ti 0,65 1,15 Al 0,6 0,8 Co 1 Cu 0,3 C 0,08 Si 0,35 Mn 0,35 P 0,015 S 0,015 B 0,006 Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 14,4 cm 3 h 1 avec un laser de 400 W. L hastelloy X est un alliage qui se caractérise par une haute résistance mécanique et à l oxydation pour des températures allant jusqu à 1 200 C. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 16 et 17 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 7,2 cm 3 h 1. 7.4 Cobalt chrome L alliage de cobalt chrome mis en forme par fusion laser est le CoCrMo dont la composition est conforme à la norme américaine ASTM F75. Cet alliage de cobalt chrome présente une résistance à la corrosion et des caractéristiques mécaniques élevées. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 18 et 19 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 19,8 cm 3 h 1 pour des épaisseurs de couche de 50 µm avec un laser de 400 W. Il existe également une version d alliage de cobalt chrome spécifique pour les applications dentaires. 7.5 Alliages de titane L alliage de titane le plus utilisé en fusion laser est le TiAl6V. Cet alliage de titane présente une bonne résistance à la fatigue, à la propagation des criques, à la corrosion et au fluage jusqu à 300 C. En fusion laser, il présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 20 et 21 [9]. Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 32,4 cm 3 h 1 pour des épaisseurs de couche de 60 µm avec un laser de 400 W. La tenue en fatigue est fortement influencée par un traitement de compression isostatique à chaud à 900 C sous 1 000 bars de pression pendant 2 h d après [10] (figure 20). Elle est de l ordre de 750 MPa à 1 million de cycles. Il est à noter que cet alliage de TiAl6V existe en version ELI, où le taux d oxygène y est plus faible. Nous trouvons également du TiAl6Nb7 et du titane pur. 7.6 Alliages d aluminium Les alliages d aluminium mis en forme par fusion laser sont exclusivement des alliages dits de fonderie contenant du silicium. L alliage d aluminium le plus utilisé est l AlSi10Mg qui est un alliage classique de fonderie. Avec un taux de silicium proche de l eutectique, il possède une bonne coulabilité. Après mise en œuvre par fusion laser, ses caractéristiques mécaniques en traction sont bien plus élevées que celles obtenues par fonderie coquille. Selon la norme NF EN 1706:2010 (F), à l état T6 par exemple, sa résistance R m doit être d au moins 260 MPa alors qu il est voisin de 400 par fusion laser. En fusion laser, cet alliage d aluminium présente la composition chimique et les caractéristiques mécaniques données par les tableaux 22 et 23 [9]. Ces caractéristiques mécaniques élevées s expliquent par la finesse de la structure métallurgique. En structure brut de fusion laser, les intervalles inter-dendritiques sont de moins de 1 µm alors qu ils sont de l ordre de 20 µm pour une fonderie en coquille de qualité. Cette faible taille est due à l évolution thermique rapide lors du procédé avec des montées et des descentes en température de l ordre de 10 5 à 10 6 C s 1 (figure 21 et [11]). Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 13

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Tableau 15 Caractéristiques mécaniques en traction de l inconel 718, normes et données constructeurs [9] Inconel 718 Aubert et Duval hyper trempé ou mis en solution + vieillissement R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) 1 360 1 120 18 199 EOS XY 1 060 ± 50 780 ± 50 27 ± 5 160 ± 20 EOS Z 980 ± 50 634 ± 50 31 ± 5 EOS Z traité thermiquement AMS 5662 1 400 ± 100 mini 1 241 1 150 ± 100 mini 1 034 15 ± 3 mini 12 170 ± 20 EOS Z traité thermiquement AMS 5664 1 380 ± 100 mini 1 241 1 240 ± 100 mini 1 034 18 ± 5 mini 12 170 ± 20 SLM Solutions 995 ± 43 689 ± 67 29 ± 4 173 ± 17 Concept Laser 1 400 1 100 10 200 Parution : février 2016 - Tableau 16 Composition chimique de l hastelloy X, données constructeurs [9] Hastelloy Ni BM 7 900 14 Pourcentage massique (%) min Le reste max Cr 20,5 23 Fe 17 20 Mo 8 10 W 0,2 1 Co 0,5 2,5 C 0,1 Si 1 Mn 1 Si 0,03 P 0,04 B 0,01 Se 0,005 Cu 0,5 Al 0,5 Pb 0,15 Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Tableau 17 Caractéristiques mécaniques en traction de l hastelloy X, normes et données constructeurs [9] Hastelloy X R m (MPa) R p0,2 (MPa) A% (%) E (GPa) EOS XY 850 ± 40 675 ± 50 29 ± 8 195 ± 20 EOS Z 720 ± 40 570 ± 50 39 ± 8 175 ± 20 EOS XY traité thermiquement AMS 2773 EOS Z traité thermiquement AMS 2773 730 ± 40 330 ± 50 45 ± 6 200 ± 20 690 ± 40 330 ± 50 52 ± 6 190 ± 20 SLM Solutions 722 ± 24 595 ± 28 20 ± 6 162 ± 11 Tableau 18 Composition chimique de l alliage de cobalt-chrome CoCrMo, données constructeurs [9] Cabalt-Chrome CoCrMo Pourcentage massique (%) min max Co 60 65 Cr 26 30 Mo 5 7 Si 1 Mn 1 Fe 0,75 C 0,16 Ni 0,1

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES Tableau 19 Caractéristiques mécaniques en traction de l alliage de cobalt-chrome CoCrMo, normes et données constructeurs [9] Cabalt-Chrome CoCrMo R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) ASTM F75-07 655 480 Mini 8 EOS XY 1 350 ± 100 1 060 ± 100 11 ± 3 200 ± 20 EOS Z 1 200 ± 150 800 ± 150 24 ± 4 190 ± 20 EOS XY traité thermiquement 1 100 ± 100 600 ± 50 Mini 20 200 ± 20 EOS Z traité thermiquement 1 100 ± 100 600 ± 50 Mini 20 200 ± 20 SLM Solutions 1 050 ± 20 835 ± 20 Tableau 20 Composition chimique de l alliage de titane TiAl6V, données constructeurs [9] TiAl6V Pourcentage massique (%) min max Ti Le reste Al 5,5 6,75 V 3,5 4,5 O N C H Fe 2 000 ppm 500 ppm 800 ppm 150 ppm 3 000 ppm Tableau 21 Caractéristiques mécaniques en traction de l alliage de titane TiAl6V, normes et données constructeurs [9] TiAl6V R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) Norme ISO 5832-3:1996(F) 860 780 10 Norme ASTM F2924 12 selon XY et Z 895 825 10 EOS XY 1 230 ± 50 1 060 ± 50 10 ± 2 110 ± 10 EOS Z 1 200 ± 50 1 070 ± 50 11 ± 3 110 ± 10 EOS XY Traité thermiquement 800 C 4h 1 050 ± 20 mini 930 1 000 ± 20 mini 860 14 ± 1 mini 10 116 ± 10 EOS Z Traité thermiquement 800 C 4 h 1 060 ± 20 mini 930 1 000 ± 20 mini 860 15 ± 1 mini 10 114 ± 10 SLM Solutions XY Valeur mini 1 286 ± 57 1 116 ± 61 8 ± 2 111 ± 4 Concept Laser 1 100 à 1 300 900 à 1 200 4 à 11 110 Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 15

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES 1 000 900 800 Contrainte (MPa) 700 600 500 400 Forgé recuit [8] Fonderie plus compression isostatique [8] 300 Pièces de fonderie [8] 200 100 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 Cycles Parution : février 2016 - Figure 20 Influence de la compression isostatique à chaud sur les propriétés en fatigue [10] BM 7 900 16 Compression isostatique à chaud X Compression isostatique à chaud Y Compression isostatique à chaud Z Tableau 22 Composition chimique de l alliage d aluminium AlSi10Mg, données constructeurs [9] AlSi10Mg Al Pourcentage massique (%) min Le reste max Si 9 11 Fe 0,55 Cu 0,05 Mn 0,45 Mg 0,2 0,45 Ni 0,05 Zn 0,1 Pb 0,05 Sn 0,05 Ti 0,15 Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Détentionné X Détentionné Y Détentionné Z Tableau 23 Caractéristiques mécaniques en traction de l alliage d aluminium AlSi10Mg, normes et données constructeurs [9] AlSi10Mg Norme NF EN 1706 :2010 (F) T6 R m R p0,2 A% E (MPa) (MPa) (%) (GPa) 260 220 1 EOS XY 460 ± 20 270 ± 10 9 ± 2 75 ± 10 EOS Z 460 ± 20 240 ± 10 6 ± 2 70 ± 10 EOS XY traité thermiquement EOS Z traité thermiquement 345 ± 10 230 ± 15 12 ± 2 70 ± 10 350 ± 10 230 ± 15 11 ± 2 60 ± 10 SLM Solutions 397 ± 11 227 ± 11 6 ± 1 64 ± 10 Concept Laser traité thermiquement 325 à 310 220 à 170 2 à 3 75

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES A3 Figure 21 Microstructure de l AlSi10Mg sur coupe [11] Chez EOS, la vitesse de construction laser est de 26,6 cm 3 h 1 avec un laser de 400 W. La tenue en fatigue est fortement influencée par le traitement thermique [12]. En état brut de fusion, elle est de l ordre de 100 MPa et de l ordre de 160 MPa à l état T6 à 10 millions de cycles (figure 22). Dans sa fiche matériau, EOS annonce 97 ± 7 MPa à 5 millions de cycles pour l état brut de fusion. Nous trouvons également de l AlSi12 et plus récemment de l AlSi7Mg. Il est à noter qu à l état de poudre, ces alliages peuvent présenter un taux de magnésium supérieur à ce qui est préconisé dans la norme NF EN 1706 2010 (F). En effet, lors du passage du laser, une partie du magnésium a tendance à s évaporer. Donc pour que la composition en magnésium soit dans la bonne fourchette après fusion laser, elle doit être «dopée» lors de la réalisation de la poudre. Dans un but d amélioration des caractéristiques mécaniques, il est possible de mettre en œuvre des alliages contenant également du cuivre avec une teneur voisine de 3 %. SLM Solutions propose par exemple de l AlSi9Cu3 (sans en préciser pour l instant les caractéristiques mécaniques obtenues). 300 280 16,7 260 240 Contrainte maximale σ max [Mpa] 220 200 180 160 140 16,3 14,7 14 16 18 120 100 R = 0,1 K t = 1 13,4 17 13 13,9 15 80 1,00 10 4 1,00 10 5 1,00 10 6 1,00 10 7 1,00 10 8 Nombre de cycles [1] Run Outs Fabrication 13, 300 C, 0, brut de fabrication Fabrication 14, 300 C, 0,T6 Fabrication 16, 300 C, 90, brut de fabrication Fabrication 15, 300 C, 90, brut de fabrication Fabrication 17, 300 C, 45, T6 Fabrication 18, 300 C, 45, T6 Figure 22 Courbe de résistance à la fatigue [12] Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 17

tiwekacontentpdf_bm7900 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES 8. Adapter la conception au procédé + 0,40 30 0 30,20 ± 0,20 La fabrication par fusion laser conduit à un nouveau paradigme de conception, notamment par la liberté de formes qu elle permet. Il est cependant nécessaire d analyser précisément le procédé et les matériaux travaillés pour en déduire les marges de manœuvre en conception. En effet, de nouvelles contraintes apparaissent, comme la prise en compte des dimensions maximales des chambres de fabrication ou la présence des supports d édification. Ce paragraphe énonce quelques règles élémentaires à prendre en compte pour adapter un modèle CAO aux caractéristiques de cette technologie de fabrication additive. 8.1 Tolérancement + 0,10 60 0,30 59,80 ± 0,20 Le modèle CAO 3D servant de base au fichier STL devra être réalisé en cotes moyennes et non en cotes nominales décentrées (figure 23). À l opposé de l usinage, le procédé de fusion laser n est pas capable d apporter une précision particulière à une zone spécifique de la pièce. Toute la pièce est réalisée avec un niveau moyen de précision. Figure 23 Cote nominale décentrée et cote moyenne 8.2 Corps creux Parution : février 2016 - Le procédé est capable de réaliser des cavités creuses. Cependant, il faudra forcément prévoir une ouverture afin d évacuer la poudre non fusionnée. 8.3 Géométrie minimale Le diamètre minimal d un alésage vertical est, d après [13], de 0,7 mm (figure 24). En dessous de cette limite, l alésage est bouché par des grains de poudre non totalement fusionnés. L épaisseur minimale réalisable de parois verticales est, d après [1] et [13], de l ordre de 0,3 à 0,4 mm. En dessous de cette limite, la paroi n est plus constituée que d un contour (figure 25), c est-à-dire de deux traits laser qui se chevauchent avec indirectement un écart vecteur qui ne correspond pas forcément aux paramètres optimaux, voire d un seul trait laser. Dans ces conditions, les caractéristiques mécaniques et la tenue dimensionnelle ne sont plus accessibles. Pour la réalisation d éléments tels que des fentes, rainures et canaux, un intervalle minimum doit être appliqué entre deux éléments successifs afin d empêcher la fusion des surfaces en vis-à-vis. Cet intervalle est d au moins 0,3 mm [13] (figure 26). Pour des éléments verticaux de type colonne, il faut que le ratio entre la hauteur et la plus petite longueur de la base ne dépasse pas 8 d après [1]. Au-dessus de cette limite, les efforts de frottement entre le système de mise en couche et la section fabriquée deviennent suffisamment importants pour incliner l élément vertical. Dans le cas d un dépassement de ce ratio, [1] propose de joindre les éléments verticaux pour les renforcer comme illustré dans la figure 27. 8.4 Alésages horizontaux Dans le cas d alésages horizontaux, il est possible de ne pas mettre de support jusqu à des diamètres voisins de 6 mm d après [1]. Au-delà de 6 mm, la surface haute des alésages devient granuleuse, voire se soulève, ce qui peut provoquer un blocage du système de mise en couche et nécessite donc la mise en place de supports d édification (figure 28). BM 7 900 18 Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Y Z X Figure 24 Diamètre minimal d un alésage vertical [13] Y Z X 0,4 mm Figure 25 Épaisseur minimale d une paroi verticale [1] 0,7 mm Pour éviter de mettre des supports, il peut être envisagé de revoir la géométrie de ces alésages. D après [1] et [13], il est préférable de concevoir des alésages circulaires qui se ferment tangentiellement lorsque l angle de fermeture atteint l angle limite comme sur la figure 29.

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES 0,3 mm 0,3 mm 1 mm 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,05 Z Y X Figure 26 Mise en évidence de l intervalle minimum entre deux surfaces en vis-à-vis [13] 1 Z 8 Y X Figure 27 Ratio maximal [1] Z Y X D < 6 mm Surface granuleuse Figure 28 Alésage horizontal [1] Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 19

tiwekacontentpdf_bm7900 R13 FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES α lim Z Y X R4 R13 Figure 29 Proposition de géométrie d alésage horizontal [13] Parution : février 2016 - Figure 30 Chanfrein, congé concave ou convexe 8.5 Chanfrein, congé concave ou convexe Dans le cas d une surface en porte-à-faux d une distance d, afin d éviter de mettre des supports d édification, il est préférable, par exemple, de mettre soit un chanfrein d un angle supérieur à l angle limite (figure 30), soit un congé concave ou convexe de rayon d au moins : BM 7 900 20 α lim d r = 1 sin α lim α lim (7) d Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés r h r α lim Dans ce cas, la hauteur h du congé concave ou convexe sera d au moins : Si ce type de congés spécifiques n est pas mis en place, nous pouvons constater des défauts de forme par rapport au profil CAO de départ dès que l angle de la surface par rapport à l horizontale devient plus faible que l angle limite (figures 31 et 32). d h = d cos αlim 1 sin αlim Y Z h X (8)

FUSION LASER SÉLECTIVE DE LIT DE POUDRES MÉTALLIQUES 0,35 mm mm 0,45 mm 0,1 mm 0,5 mm 1 mm Radius 2 mm Radius 3 mm Radius Figure 31 Mise en évidence du manque de matière par rapport au profil CAO sur un congé concave simple [13] (radius = rayon) + 0,3 + pourront être produits en séries de 40 000 unités par an à partir de 2020 avec une centaine de machines dans l unité d Avion ou des lames pour les turbines qui sont d ores et déjà fabriquées en séries de plusieurs dizaines de milliers d unités par an. La vente de machines de fabrication additive métallique, ne représente toutefois que moins de 4 % du nombre de machines de fabrication additive vendues en 2013. 0,55 0,20 11. Glossaire Fabrication additive ; additive manufacturing Ensemble des procédés permettant de fabriquer, couche par couche, par ajout de matière, un objet physique à partir d un objet numérique. 1 mm Radius Figure 32 Mise en évidence du manque de matière par rapport au profil CAO sur congé convexe simple [13] (radius = rayon) 9. Travaux de normalisation Une commission de normalisation, l UNM 920, a été créée en juin 2010, afin de réunir les expertises indispensables à l élaboration des normes et documents de référence relatifs à la fabrication additive en général. Elle relève du comité stratégique AFNOR «Ingénierie industrielle, biens d équipements et matériaux». De manière concertée, d autres pays ont lancé des projets de normalisation de la fabrication additive. Créé en février 2011, le comité technique ISO/TC 261 «Fabrication additive» proposé par le DIN (Allemagne) a été accepté par la communauté internationale ISO. Il est important de noter qu il existe quelques normes spécifiques à la mise en forme par fusion laser de lit de poudre. Nous pouvons citer par exemple une norme américaine, l ASTM F2924-12, sur les spécifications pour le TiAl6V mis en œuvre par fusion de lit de poudre. 10. Perspectives 2 mm Radius Fusion laser de lit de poudre ; selective laser melting of bed powder Procédé de fabrication additive dans lequel l énergie thermique apportée par un laser fait fondre de manière sélective certaines zones d un lit de poudre. Repère de la zone de fabrication ; coordinate system of building zone Système d axes permettant de définir une orientation aux éprouvettes de caractérisation. XY signifie par exemple que les éprouvettes sont fabriquées à plat (figure 33). Atomisation ; atomization Procédé qui consiste à morceler en gouttelettes un filet de matière obtenu à partir d un bain de matière métallique en fusion dans un autoclave. STL Le format de fichier STL est un format utilisé dans les logiciels de fabrication additive. Il permet de décrire la géométrie de surface d un objet en 3D. Repère de la zone de fabrication + Z + Y + X La fabrication additive de pièces métalliques ne se limite plus à la production de prototypes ou de petite série. Il s est vendu 345 machines de fabrication métalliques en 2013 contre 170 en 2011. Des usines d un nouveau type voient le jour, bouleversant ainsi le statu quo des moyens de production classiques. Nous pouvons citer par exemple les injecteurs pour les moteurs d avion qui Avant de la machine Figure 33 Repère de la zone de fabrication Plateau de fabrication Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés BM 7 900 21

Fusion laser sélective de lit de poudres métalliques P O U R E N par Sébastien PILLOT Ingénieur R&D CETIM-CERTEC, Bourges, France Sources bibliographiques [1] AYRE (M.). DMLS design guide V4. http://prezi.com/qgiujvngqxj0/ copy-of-dmls-design-guide-v4/ [2] MANFREDI (D.), CALIGNANO (F.), KRISH- NAN (M.), CANALI (R.), AMBROSIO (E.P.) et ATZENI (E.). From powders to dense metal parts : characterization of a commercial Al- SiMg alloy processed through direct metal laser sintering. Material 2013, 6, p. 856-869 (2013). [3] BUCHBINDER (D.), SCHLEIFENBAUM (H.), HEIDRICH (S.), MEINERS (W.) et BÜLTMANN (J.). High Power Selective Laser Melting (HP SLM) of Aluminum Parts (2011). [4] KEMPEN (K.), THIJS (L.), YASA (E.), BA- DROSSAMAY (M.), VERHEECKE (W.) et KRUTH (J.-P.). Microstructural analysis and process optimization for selective laser melting of AlSi10Mg. International Solid Freeform Fabrication Symposium (2011). [5] BRANDL (E.), HECKENBERGER (U.), HOLZIN- GER (V.) et BUCHBINDER (D.). Additive manufactured AlSi10Mg samples using selective laser melting (SLM) : microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior (2011). [6] FEUERHAHNA (F.), SCHULZB (A.), SEE- FELDA (T.) et VOLLERTSENA (F.). Microstructure and properties of selective laser melted high hardness tool steel (2013). [7] THIJS (L.), VAN HUMBEECK (J.), KEMPEN (K.), YASA (E.), KRUTH (J.P.) et ROMBOUTS (M.). Investigation on the Inclusions in maraging steel produced by selective laser melting. [8] VRANCKEN (B.), THIJS (L.), KRUTH (J.-P.) et VAN HUMBEECK (J.). Microstructure and mechanical properties of a novel β titanium metallic composite by selective laser melting. Acta Mater., 68, p. 150-158 (2014). [9] Fiches matériaux constructeurs EOS, Concept Laser et SLM Solutions. [10] SUN (S.), LIU (Q.), BRINGEZU (M.), SHIDID (D.), LEARY (M.), ARHATARI (B.) et BRANDT (M.). Microstructure and mechanical properties of microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V. Parts Built by Selective Laser Melting. [11] MARTÍNEZ (M.G.). PFC : AlSi10Mg parts produced by selective laser melting (SLM). Industrial Engineering, Speciality : Materials Leuven, Belgium, 31 mai 2013. [12] BRANDL (E.), HECKENBERGER (U.), HOLZIN- GER (V.) et BUCHBINDER (D.). Additive manufactured AlSi10Mg samples using selective laser melting (SLM) : microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior. EADS Innovation Works, Metallic Technologies and Surface Engineering et Fraunhofer Institute for Lasertechnology (ILT) (2011). [13] THOMAS (D.). The Development of Design Rules for Selective Laser Melting. Mémoire de thèse de doctorat, University of Wales Institute, Cardiff (2009). S A V O I R P L U S Normes et standards ASTM F2924-12 2012 Standard specification for additive manufacturing Titanium-6 Aluminium-4 Vanadium with powder bed fusion ISO 5832-3 1996 Implants chirurgicaux Produits à base de métaux. Partie 3 : Alliage à forger à base de titane, d aluminium 6 et de vanadium 4 NF EN 1706 05-10 Aluminium et alliages d aluminium. Pièces moulées. Composition chimique et caractéristiques mécaniques Annuaire Constructeurs Fournisseurs Distributeurs (liste non exhaustive) Constructeurs de machines de fusion laser 3D SYSTEMS (ex PHENIX SYSTEMS) http://www.phenix-systems.com/ CONCEPT LASER http://www.concept-laser.de/ EOS http://www.eos.info/ REALIZER http://www.realizer.com/ RENISHAW http://www.renishaw.fr/ SLM SOLUTIONS http://www.stage.slm-solutions.com/ Fournisseur de logiciels MATERIALISE http://www.materialise.com Copyright Techniques de l Ingénieur Tous droits réservés Doc. BM 7 900 1