Extraction et analyse, en fonction des paramètres de frittage laser direct de métal, des caractéristiques matérielles d'un alliage Al-Mg-Zr-Sc

Extraction and analysis of parameter-dependent material characteristics of an Al-Mg-Zr-Sc alloy fabricated by direct metal laser sintering

• Auteur / Autrice : Dominic Zettel
• Direction : Piotr Breitkopf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Matériaux : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amortissement (mécanique)

Conductivité thermique

Élasticité

Plan d'expérience

Zirconium -- Alliages

Alliages aluminium-magnésium

Alliages aluminium-scandium

Magnésium -- Alliages

Aluminium -- Alliages

Propriétés mécaniques

Aluminium

Porosité

Métallurgie des poudres

Poudres métalliques

Poudres

Impression 3D

Prototypage rapide

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Optimisation multi-physique

Frittage laser direct du métal

Fabrication additive

Module d'Young

DMLS

AM

LPBF

Multi-physical optimization

Direct metal laser sintering (DMLS)

3D-Printing

Three-dimensional printing

Brittle

Ductile

Material characteristics

Additive manufacturing (AM)

Porosity

Aluminium

Scandium

Magnesium

Zirconium

Experimental design

Laser powder bed fusion (LPBF)

Elasticity

Mechanical properties

Aluminum alloys

Magnesium alloys

Thermal conductivity

Damping

Résumé

En raison des propriétés spécifiques qu'elles permettent d'obtenir, de nombreuses technologies de fabrication additive (Additive Manufacturing, AM) sont désormais couramment utilisées dans divers secteurs industriels tels que l'automobile, le médical, l'énergétique et l'aérospatial. Le frittage laser direct de métal (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) est un procédé sur lit de poudre permettant de produire des structures métalliques complexes, et il s'est imposé pour la fabrication de composants soumis à de fortes contraintes. Ce procédé commence par l'application d'une fine couche de poudre sur une plateforme de fabrication à l'aide d'un bras robotisé multi-axes. Ensuite, cette poudre est fusionnée à l'aide d'un faisceau laser dans une atmosphère de gaz inerte, et ce processus se répète itérativement jusqu'à obtenir la structure souhaitée. Les paramètres du procédé DMLS, tels que la puissance et la vitesse du laser, le flux de gaz et la température de la plateforme, sont choisis en fonction de l'alliage utilisé pour garantir une densité et une résistance maximales des composants imprimés. Ces travaux portent sur une étude expérimentale visant à analyser l'influence des paramètres de fabrication sur les propriétés physiques d'échantillons imprimés en aluminium trempé, incluant la résistance à la traction, la limite d'élasticité, le module de Young, le taux d'amortissement et la conductivité thermique. D'autres propriétés pertinentes pour l'industrie, telles que la précision dimensionnelle, la rugosité de surface et la dureté, ont également été examinées. Les données recueillies permettent de vérifier l'hypothèse selon laquelle le procédé DMLS est adapté à l'optimisation multi-physique des structures métalliques et d'enrichir les modèles de simulation basés sur les données. La méthodologie employée repose sur l'utilisation d'un plan d'expériences (Design of Ex-periments, DoE) pour la production des échantillons. Pour évaluer toutes les propriétés physiques d'intérêt, une méthode séquentielle et systématique a été définie pour obtenir des éprouvettes de différentes géométries à partir des échantillons fabriqués. Un protocole de mesure spécifique a été mis en place pour chaque propriété examinée, incluant des détails sur les outils de mesure et le nombre de mesures effectuées. De plus, des dispositifs d'essai pour mesurer le taux d'amortissement et la conductivité thermique ont été développés, construits et validés spécifiquement pour ces travaux. Les résultats ont démontré que les paramètres d'impression ont un impact significatif sur la microstructure des échantillons, notamment le taux de porosité et les types de pores. Il a de plus été observé que différentes régions d'une même pièce pouvaient être fabriquées en utilisant des paramètres d'impression distincts, ce qui est crucial pour un processus d'optimisation multi-physique. La reproductibilité des mesures a également été excellente. En outre, trois comportements mécaniques distincts ont été identifiés : fragile, semi-fragile et ductile. Les données recueillies, notamment la large gamme des propriétés mesurées, permettent de conclure que le procédé DMLS possède un grand potentiel pour l'optimisation multi-physique des structures métalliques. Par ailleurs, les résultats expérimentaux obtenus pour la fusion laser sur lit de poudre (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) apportent une contribution significative au développement de modèles de simulation basés sur les données.

Nowadays, there are many different Additive Manufacturing (AM) technologies that have already become integral parts of various industries (e.g., automotive, medical, energy, or aerospace) due to their process-specific properties. In the realm of highly stressed compo-nents, Direct Metal Laser Sintering (DMLS) – a powder bed process for producing metallic topologies – has become particularly well established. In this process, a thin layer of pow-der material is initially applied to a build platform using a recoater arm and then fused into a solid structure using a laser beam. This iterative process, conducted in an inert gas atmosphere, continues until the desired structure is fully printed. The process parameters involved (e.g., laser power, laser speed, gas flow, or build platform temperature) are de-fined in an alloy-dependent standard parameter set, ensuring maximum density and strength of the printed components. This work experimentally investigates the impact of modified printing parameters on the structure and associated physical properties (tensile strength, yield strength, Young’s modulus, damping rate, and thermal conductivity) of hardened aluminum specimens. Other industry-relevant characteristics (e.g., dimensional accuracy, surface roughness, and hardness) were also examined. The collected data aims to verify the hypothesis that DMLS is suitable for multi-physical optimization of metallic topologies and to provide ma-terial data for data-driven simulation models. The methodology to address the hypothesis is based on a Design of Experiments (DoE) for specimen production. Additionally, a systematic sequence of different specimen geome-tries was defined to facilitate the determination of all material properties using the same specimens. To ensure accurate data collection (e.g., mitigating systematic error influences or measurement errors), a specific measurement protocol was defined for each material property being examined, outlining details such as the choice of measurement tools and the number of measurements conducted. Furthermore, test setups for measuring the damping rate and thermal conductivity were developed, built and validated inde-pendently. All measurement results have demonstrated that varying printing parameter sets signif-icantly impact the microstructure (e.g., different porosities and pore types) and the asso-ciated material properties. Additionally, it has been observed that different regions within a single geometry can be fabricated using distinct printing parameter sets, crucial for op-timizing multi-physical components. It is noteworthy that the data quality is high, at-tributed to the excellent reproducibility of measurements. Furthermore, aside from differ-ing material properties, three distinct material behaviors dependent on parameters have been identified: brittle, semi-brittle, and ductile. From the collected material data and the range of measured material properties, it can be concluded that the DMLS method holds great potential for the multi-physical optimization of metallic structures. Furthermore, this experimental work also makes a significant con-tribution to the further development of simulation models in the field of data-driven ap-proaches for Laser Powder Bed Fusion (LPBF).