Etats de surface de pièces métalliques obtenues en Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) : compréhension physique et voies d’amélioration

Improvement of surface finish of metallic materials obtained by the direct metal deposition technique

• Auteur / Autrice : Myriam Gharbi
• Direction : Patrice Peyre, Rémy Fabbro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 05/07/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procedes et Ingenierie en Mécanique et Matériaux [Paris]
• Jury : Président / Présidente : Véronique Favier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre, Rémy Fabbro, Bruno Courant, Christophe Colin, Muriel Carin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bertrand, Pierre Sallamand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titane

Lasers -- Matériaux

Mots clés libres

Laser

Fabrication

Surface

Ti-6Al-4V 316L

Fdpl

Dmd

Laser

Manufacturing

Surface

Titanium

Modeling

Résumé

Le procédé de fabrication directe par projection laser (FDPL), est un procédé de fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces de forme complexe directement à partir d'un fichier CAO, sans outil et sans moule. L'un de ses inconvénients majeurs est la mauvaise qualité des états de surface obtenus (Ra supérieur à 15 μm) qui nécessite systématiquement des étapes de ré-usinage. Dans ce contexte, et dans le cadre du projet ANR « ASPECT », cette thèse a pour double objectif une meilleure compréhension de l'origine des états de surface dégradés, et le développement de différentes solutions expérimentales innovantes permettant d'améliorer les états de surface.Dans un premier temps, en considérant des géométries simples (murs) en alliage de titane Ti-6Al-4V, nous avons étudié l'interaction faisceau laser / jet de poudre / bain liquide métallique par différents diagnostics (caméra rapide, caméra thermique, pyrométrie…) pour comprendre l'évolution de la géométrie, la thermique et l'hydrodynamique de la zone fondue (ZF). Ces analyses nous ont permis de corréler les évolutions des ZF à celles des états de surface, et de mettre en évidence, sur le Ti-6Al-4V la prépondérance des effets de tension superficielle sur les effets de gravité, dans l'équilibre des ZF, et l'effet bénéfique de zones fondues larges et profondes combinées à de faibles hauteurs par couche, dans la réduction des micro et macro-rugosités. La réduction du débit massique local Dm* en vis-à-vis des parois latérales et l'augmentation du rayon de courbure des ZF avec l'élargissement des ZF (donc avec des rapports El= P/V (J/m) élevés) sont à l'origine des effets bénéfiques obtenus. Différents modèles analytiques et numériques ont également été utilisés ou développés, en complément des résultats expérimentaux, pour décrire le procédé (modèle d'interaction laser-poudre, modèle numérique thermique 3D du procédé, modèle de calcul des ondulations périodiques).En utilisant un large spectre de conditions expérimentales, et une caractérisation rigoureuse des conditions de fabrication (analyses de faisceau, de jet de poudre …) nous avons également apporté des améliorations notables à la qualité des états de surface obtenus. Ainsi, l'utilisation d'un éclairement laser uniforme plutôt que quasi-Gaussien, ou l'utilisation d'un régime quasi-pulsé plutôt que continu ont permis, sur le Ti-6Al-4V de réduire significativement les gradients thermiques en ZF et les mouvements de convection de Marangoni associés, et d'obtenir des qualités d'états de surface fortement améliorées (Ra< 3 µm) par rapport aux études antérieures sur le sujet.Pour finir, une partie de l'étude s'est concentrée sur l'utilisation d'un autre matériau: l'acier inoxydable 316L, afin d'analyser l'influence de la nature chimique et des propriétés thermo-physiques de la poudre projetée sur la qualité des états de surface. Les résultats ont montré que, contrairement à l'alliage de titane, les meilleures rugosités étaient obtenues pour les énergies linéiques El (J/m) les plus faibles, en raison de la formation, à El élevé, de macro-agglomérats de poudre sur les parois des murs. Ce résultat confirme la difficulté d'une approche prédictive globale des états de surface à partir des paramètres thermo-physiques des matériaux projetés.

The process of direct manufacturing by projection laser ( FDPL), is a process of additive manufacturing which allows to make rooms(parts,plays) of complex shape directly from a file CAD, without tool and without mold(mussel). One of its major inconveniences is the bad quality of the states of surface obtained (Ra upper to 15 µm) which requires systematically stages of remanufacturing. In this context, and within the framework of the project ANR " aspect ", this thesis(theory) has for double objective a better understanding of the origin of the degraded states of surface, and the development of various innovative experimental solutions allowing to improve the states of surface. At first, by considering simple geometries (walls) in alloy of titanium Ti-6Al-4V, we studied the interaction