Thèse soutenue

Fabrication additive de cuivre pur par fusion sélective laser

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Auteur / Autrice : Guillaume Nordet
Direction : Patrice Peyre
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
Date : Soutenance le 17/12/2021
Etablissement(s) : Paris, HESAM
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) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
Jury : Président / Présidente : Tiberiu Minea
Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre, Christophe Desrayaud, Marc Thomas, Christophe Colin, Émilie Le Guen
Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Desrayaud, Marc Thomas

Mots clés

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Résumé

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La Fabrication Additive (FA) de pièces à base de cuivre constitue un enjeu important pour de nombreux domaines comme l’électronique, l’aérospatiale, l’automobile ou le luxe grâce aux formes et aux designs qu’elle autorise, irréalisables avec les procédés de fabrications conventionnels et grâce à l’optimisation de forme, qui permet d’obtenir les mêmes fonctions de pièces (conduction électrique, contrainte mécanique …) avec des masses réduites. Les procédés de FA métallique, et notamment les procédés de fusion laser lit de poudre (SLM) permettent aujourd’hui de mettre en forme de nombreux matériaux comme les alliages de titane, d’acier ou d’inconel. Le cuivre reste un matériau complexe à mettre en œuvre à l’aide des lasers infra-rouge (IR : λ ≈ 1.03 µm) couramment utilisé sur les machines SLM) à cause de sa forte conductivité thermique et de sa forte réflectivité dans l’IR. Le présent travail de thèse, réalisé dans le cadre d’une collaboration entre AddUp et le laboratoire PIMM (Groupe Laser), s’articule autour des points d’intérêt suivants: (1) la compréhension de l’interaction laser-matière lors de la fusion du cuivre pour différentes longueurs d’onde laser : IR (1.03 à 1.08 µm), vert (0.515 à 0.532 µm) ou bleu (0.45 µm), (2) la recherche d’une paramétrie optimale pour le procédé SLM sur le cuivre en termes de productivité et taux de porosité des pièces pour la création de pièce 3D , (3) la mise en œuvre de poudres revêtues (Ni, C, O) pour faciliter la fusion laser IR. Plusieurs expérimentations ont été menées pour répondre à ces objectif : (1) des mesures d’absorptivité (sphère intégrante d’Ulbricht) pour déterminer la quantité d’énergie absorbée pour un état de la matière donné (lit de poudre, solide liquide ou keyhole), (2) La fusion de mono-cordons pour déterminer les plages de stabilité du procédé SLM et estimer les dimensions des cordons lors de la fabrication, (3) l’étude métallographique de l’influence des paramètres procédé sur la densité des pièces (taux de porosité) et leurs propriétés microstructurales et électriques . Les expériences SLM ont été réalisées à la fois sur des bancs prototypes et des enceintes instrumentées. Au final, à travers les différentes solutions techniques testées (changement de longueur d’onde, fonctionnalisation des poudres …), des pièces denses à plus de 99.5 % ont pu être obtenues ainsi qu’une meilleure compréhension globale de l’interaction laser – lit de poudre – zone fondue dans le cas du cuivre pur.