Fabrication additive par faisceau laser sur lit de poudre (LBM) : impact de la paramètrie sur la microstructure et les propriétés mécaniques. Application aux alliages d'aluminium

Additive manufacturing by Laser Beam Melting (LBM) : Impact of process parameters on the microstructure and mechanical properties of aluminium alloys.

• Auteur / Autrice : Jordan Rigaud
• Direction : Eric Andrieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 02/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Hug
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Andrieu, Eric Hug, Patrice Peyre, Philippe Bertrand, Angéline Poulon, Joël Alexis, Didier Bardel, Marc Thomas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrice Peyre, Philippe Bertrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Aluminium

Mots clés libres

Propriétés mécaniques

Optimisation

SLM

LBM

Microstructure

Aluminium

Fabrication additive

Mechanical properties

Additive manufacturing

Microstructure

Optimisation

SLM

LBM

Résumé

Depuis une dizaine d’années, le développement des technologies de fabrication additive a permis d’envisager leur utilisation dans différents secteurs industriels. Leurs maturités sont devenues suffisantes pour susciter l’intérêt des entreprises grâce aux opportunités qu’elles sont susceptibles d’offrir, tant en termes d’innovation de design et de fonctions, que par les propriétés nouvelles des matériaux mis en forme par ces procédés. Parmi les différentes technologies de fabrication additive, la fusion par faisceau laser de lit de poudre métallique ou LBM pour Laser Beam Melting s’est développée préférentiellement. Cette technologie propose, en effet, un degré de maîtrise supérieur aux autres procédés. A ce titre, l’industrie aéronautique accroit son investissement dans des études et des projets ayant pour objectif la maîtrise de l’impact des paramètres procédé sur les propriétés finales du matériau et de la pièce. Les travaux menés au cours de cette thèse de doctorat représentent donc un enjeu industriel important permettant un contrôle accru du procédé et le développement de produits au juste besoin en adaptant les propriétés finales du matériau à l’application visée. Ce manuscrit entreprend une description particulièrement détaillée du fonctionnement du procédé LBM en utilisant la machine EOS M290 présente chez Liebherr Aerospace Toulouse. La partie centrale des travaux menés pendant ces trois années consiste en l’étude de l’influence de la puissance du laser, de la vitesse de balayage et de la distance interfaisceau sur le taux de porosité et les propriétés mécaniques en traction. La méthodologie employée s’appuie sur l’exploitation de plans d’expériences à optimisation de type Doehlert. La modélisation et la confrontation des résultats à des matrices expérimentales permet la création de surfaces de réponse dont l’analyse fournit des gammes optimales de paramètres pour la mise en forme de l’AS7G06 par LBM. Des essais de résilience ont été réalisés dans le but de déterminer et de confirmer certains mécanismes de rupture en identifiant les zones mécaniquement faibles. Cette étude nous a conduit à travailler sur des éprouvettes Charpy V de tailles réduites adaptées aux produits issus de fabrication additive. La variation de la taille des éprouvettes a permis d’identifier le Volume Elémentaire Représentatif de l’AS7G06 pour ce type de sollicitation en fonction de l’orientation de construction. Enfin, la mise au point et l’évaluation mécanique en traction d’un nouveau traitement thermique adapté à la microstructure induite par le procédé LBM, a mis en évidence l’intérêt du réseau tridimensionnel de l’eutectique aluminium – silicium qui confère une excellente stabilité thermique pour de longues durées de vieillissement, comparativement au traitement standard « T6 » issu de la fonderie. Pour compléter l’étude du nouveau traitement thermique, une analyse originale de l’impact des contraintes internes sur l’anisotropie du domaine d’élasticité du matériau a été menée en comparant la réponse mécanique de plaques soumises à une flexion quatre points avec sa simulation numérique. Cette approche est complémentaire des mesures de contraintes résiduelles.

For approximately ten years, additive manufacturing processes have developed industrially. Their maturities have become sufficient to arouse the interest of industrial companies thanks to the opportunities they are likely to offer, both in terms of innovation of design, as well as of the new properties obtained through these processes. Among the various additive manufacturing technologies, the Laser Beam Melting of metallic powder has developed preferentially: it is therefore the most advanced. As such, the aeronautics industry is increasing its investment in studies and projects aimed at controlling the impact of process parameters on the final properties of the material and the part. The work carried out during this PhD thesis represents an important industrial stake: it aims at a better control of the process and the development of products as needed for the intended application. This manuscript undertakes an in-depth description of the LBM process based on the EOS M290 used at Liebherr Aerospace TOULOUSE. The main part of the work carried out during these three years consists in the study of the influence of the laser power, the scanning speed and the hatching distance on the porosity level and the mechanical properties in tensile tests. The methodology used in this work, is based on the Doehlert’s experimental design. The modelling and the comparison of the results with experimental matrices allowed the drawing of response surfaces which analysis provided optimal ranges of parameters for the manufacturability of A357. Impact tests were carried out in order to determine and confirm failure mechanisms and identifying mechanical weak areas. In this study, we have worked on Charpy V test specimens with reduced sizes. The variation of the sample thicknesses allowed to determine the Representative Elementary Volume of A357 according to the building orientations. Finally, a new heat treatment was developed specifically for the microstructure obtained after the LBM process and was mechanically tested. This demonstrated the interest of the three- dimensional network of aluminium – silicon eutectic phase observed after the LBM process, which confers an excellent thermal stability for long aging times, compared to the standard “T6” heat treatment commonly used in foundry. To complete the study of the new heat treatment, an innovative analysis of the impact of internal stresses on the elastic domain anisotropy was carried out by comparing the mechanical response of the plates tested on four-point bending with its computing simulation. This approach is complementary to residual stress measurements.