Corrélation des flux d’éjectas avec l’hydrodynamique du bain liquide en fabrication additive L-PBF pour alliages d’aluminium

Correlation of spatter ejections with meltpool dynamics in L-PBF additive manufacturing of aluminum alloys

• Auteur / Autrice : Gwenaëlle Chebil
• Direction : Matthieu Schneider, Véronique Favier, Cécile Davoine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 24/02/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Office national d'études et recherches aérospatiales (France). Département Matériaux et Structures (DMAS)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Costil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Schneider, Véronique Favier, Cécile Davoine, Pascal Aubry, Guilhem Martin, Patrice Peyre, Marc Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Aubry, Guilhem Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éjectas

Aluminium

Thèses et écrits académiques

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Interaction laser-Matière

Éjectas

Bain de fusion

Aluminium

Additive manufacturing

Laser-Matter interaction

Spatters

Meltpool

Aluminum

Résumé

La fabrication additive de l’aluminium présente un intérêt majeur pour des pièces à fortes valeurs ajoutées. Certaines limites inhérentes à l’aluminium, ainsi qu’un manque de connaissance des phénomènes physiques mis en jeu au cours du procédé, ralentissent son industrialisation à grande échelle. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé de fabrication additive sur lit de poudre (L-PBF) pour différents alliages d’aluminium, en utilisant des méthodes innovantes d’observation in situ. Cette étude se concentre sur deux observables : les éjections de métal (éjectas ou scories) et les comportements hydrodynamiques du bain liquide, afin de faire le lien entre l’interaction laser-matière et la santé matière des pièces construites. Les éjections de métal liquide contaminent le lit de poudre environnant, générant dans certains cas des défauts. L’observation in situ de ces éjectas est réalisée dans un référentiel fixe sur un banc laser instrumenté. Une méthode numérique intelligente et automatisée permet ensuite d’analyser le flux de particules à la fois qualitativement et quantitativement. Des taux de pollution sont évalués en fonction de la nocivité des éjectas. Ces données sont ensuite mises en parallèle avec les comportements hydrodynamiques du bain liquide. Il apparaît clairement des différences entre des alliages de fonderie et des alliages dédiés à la fabrication additive. L’étude de ces observables de l’interaction laser-matière contribuera à l’amélioration des méthodes de contrôle en L-PBF afin, à terme, de prédire et limiter certains défauts.

Additive manufacturing of aluminum alloys is very promising for state of the art components. However, it is still difficult to apply widely in industry because of some limits inherent to aluminum, as well as a lack of knowledge of the physic phenomena involved during the process. The aim of this work is to improve the understanding and the control of the laser-powder bed fusion (L-PBF) process for different aluminum alloys, by using innovative in situ methods. This study focuses on two observables to correlate the laser-matter interaction with the quality of the final parts: the metal spatter and the hydrodynamics of the melt pool. The spatters pollute the surrounding powder bed, which can result in defects. They are observed with a dedicated open L-PBF cell, in a fixed frame reference. An automated and intelligent method is used to analyze the spatters in quantitative and qualitative ways. Pollution rates are evaluated regarding the noxiousness of spatters. These data are then correlated to the hydrodynamic regimes observed in the meltpool. Aluminum alloys designed for additive manufacturing clearly present a different behavior than cast aluminum alloys. This work improves the control methods in L-PBF in order to predict and limit certain defects.