Métallurgie et interaction laser / matière

La porosité

Du fait de la technologie même d’ajout de matériaux par dépôt de couches de poudre, la porosité en micro-fusion laser n’est pas une légende, c’est un fait. La porosité est directement liée à la métallurgie de la pièce et plus particulièrement à l’interaction laser/matière.

Sol craquelé
Source Technoscopie.info

Bien que les densités des pièces existantes oscillent entre 96 et 99,99 %. Il existe deux méthodes pour se rapprocher de densités de 100%.

La première consiste à réaliser un traitement HIP pour Hot Isostatic Pressing. Généralement on chauffe la pièce à des températures approchant le point de malléabilité de la matière sous une pression de 1000 bars. Il existe que très peu de fours HIP dans le monde.

Le recours au processus HIP n’est pas une fatalité, en effet en maîtrisant l’interaction laser/matière on peut approcher de la densité parfaite, c’est que nous allons voir avec plusieurs thèmes :

  • Les stratégies de balayage laser
  • La densité énergétique

Les stratégies de balayage laser

Ce qui garantit la bonne métallurgie et également une meilleure densité des pièces est la stratégie de balayage du faisceau laser.

Globalement, l’ensemble des stratégies de balayage commence par un contour de la couche 2D. La poudre métallique se comporte comme les châteaux de sable, en consolidant le contour, on permet de maintenir la poudre non fusionnée dans l’enceinte de la pièce. La photo ci-contre met en évidence une fusion de contour.

Image représentant le passage du laser
Source Modern Machine Shop


Ensuite il faut balayer l’intérieur de la pièce. En majorité le balayage de remplissage est programmé comme le schéma ci-après. En pointillé il s’agit du contour réalisé en premier, les flèches correspondent au passage du laser. La photo montre bien le balayage de l’intérieur de la pièce.

Schéma du balayage du laser
Schéma du balayage du laser
Balayage du laser sur la poudre
Source www.mfgnewsweb.com

Dans la stratégie de balayage, et ce pour garantir la meilleure densité possible, il est important de prendre en compte le diamètre du faisceau laser. En effet le spot du laser à un diamètre situé entre 30 et 75µm. Il faut donc trouver le meilleur paramètre entre l’écartement de deux passages de faisceau laser. Les deux prises de vues suivantes nous montrent effectivement l’écart pouvant exister entre deux passages.

Image tirée d'un microscope
Image tirée d'un microscope

Le dernier paramètre de la stratégie de balayage consiste à relier le remplissage intérieur et le contour de la pièce, en effet c’est à cet endroit que se trouve la majorité de la porosité. De plus avec la variation du diamètre de spot, il est important de contrôler la constance de fabrication au niveau des stratégies de balayage. On abordera la problématique de la gestion de la qualité dans un chapitre un peu plus loin, mais on voit déjà très nettement qu’il est important de contrôler régulièrement les paramètres de fabrication.

La densité énergétique

Densite-energetique-source-ARCAM
En complément de la stratégie de balayage nous avons la densité énergétique. Chaque matériau à un comportement différent lors de la fusion sélective, en effet chaque matériau n’a pas besoin de la même quantité d’énergie pour être fusionné.

La densité énergétique est calculée en J/mm3. Pour un matériau donné correspond une densité, si l’apport d’énergie du laser est trop important, le matériau sera sur-fusionné. A l’inverse le matériau sera sous-fusionné et générera de la porosité.

Il n’y a pas de calcul, d’abaque ou de méthode pour obtenir la densité énergétique. La densité énergétique est réalisée par essais de fusion. On remarque cependant une certaine gaussienne au niveau des matériaux métalliques entre deux valeurs limites de densité énergétique, l’ensemble des essais est donc concentré dans cette plage.

Nous l’avons vu dans ce chapitre, la densité énergétique et la stratégie de balayage permettent d’approcher des densités proches de 100%. L’analyse ci-après nous montre une porosité de 0.9%.Porosite

La conséquence directe de la porosité est l’influence des caractéristiques mécaniques de la pièce. Cependant le paramètre influençant le plus sur les caractéristiques mécaniques est l’anisotropie.

L’anisotropie

Appareil d'essai de tractions
Source INSTRON

L’anisotropie est directement liée à la technologie de construction de la pièce en fusion laser. En effet les caractéristiques vont être différentes suivant l’axe Z correspondant à l’axe d’accumulation des couches de poudre.

Certains matériaux réagissent différemment et l’écart type des caractéristiques mécaniques suivant ces axes est significatif, c’est le cas notamment du Titane.

Dans la partie gestion de la qualité, nous allons largement aborder ce phénomène.

Il existe 131 paramètres de fabrications qui influencent directement sur la métallurgie des pièces obtenues en micro-fusion laser. Nous ne vous avons présenté que la partie émergée de l’iceberg. Si vous souhaitez plus d’informations sur ce sujet, contactez-nous.

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