Apport des caractérisations thermiques et thermo-optiques pour le renforcement du lien essais-calculs en fabrication additive SLM

Amaury Jacquot1,⋆^{1,\star}, Adriana Soveja1^{1}, Yannick Le Maoult1^{1}, Christine Boher1^{1}, Manuel Marcoux2^{2}
⋆^{\star} : amaury.jacquot@mines-albi.fr
1^{1} Institut Clément Ader (ICA), Université de Toulouse, CNRS, IMT Mines Albi, UPS, INSA, ISAE-SUPAERO, Campus Jarlard, 81013 Albi CT Cedex 09, France
2^{2} Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Groupe Milieux Poreux & Biologiques, Allée Prof. Camille Soula, 31400 Toulouse
Mots clés : Thermographie IR, Modélisation.
Résumé :

La fabrication additive par faisceau laser (SLM / Selected Laser Melting ou « fusion sélective par laser sur lit de poudre ») est un moyen de générer des pièces, pour différents systèmes industriels, avec un gain significatif en termes d’économie de matière et d’énergie consommée. Les pièces 3D, issues de ces méthodes de fabrications, sont générées couches-par-couches, par fusion de la poudre à l’aide d’une source de chaleur, généralement un laser YAG, suivant un modèle généré par ordinateur. Depuis les débuts du procédée SLM il y a quelques décennies, des progrès significatifs ont été réalisés dans la compréhension des phénomènes ayant lieu lors de la fabrication, notamment en ce qui concerne les propriétés et la microstructure des pièces obtenues. Cependant, il est encore difficile d’atteindre la fiabilité opérationnelle optimale. En effet, des problèmes de porosité, de variation de μ\mu-structure ou encore de contraintes résiduelles figurent parmi les défauts les plus couramment observés pour ce type de procédé. Ces derniers sont essentiellement provoqués par l’histoire thermique que la pièce a subi durant le passage du laser.

Le principal défi de ces procédés est donc l’interdépendance complexe des différents phénomènes autour du bain de fusion induit par le laser dont la densité d’énergie peut atteindre plusieurs centaines de watts sur une zone de poudre de  100 de diamètre. Ainsi, pour réduire l’apparition de défauts et mieux contrôler le processus de fabrication SLM. Il est donc primordial de mener une approche couplée Modèle-expérimentations.

Dans ce travail, nous avons mis en place un modèle numérique multi-physique intégrant les différentes phases du procédé de fabrication : interaction du laser avec une poudre métallique de CoCrMo ou interaction laser-matière, diffusion de la chaleur dans la poudre puis transition de phase solide-liquide (fusion de la poudre) et enfin refroidissement / solidification de la matière. Pour chacune de ces étapes, une attention particulière a été apportée à la sélection des données d’entrées (propriétés thermiques et optiques) du modèle et notamment à la dépendance en température de celles-ci : des données de la littérature ont été ainsi confrontées à des données issues de mesures faites au laboratoire, notamment la diffusivité thermique en encore les propriétés radiatives de la poudre CoCrMo, ceci jusqu’à près de 1000∘^{\circ}C. Puis, les simulations effectuées, notamment en termes de taille de bain de fusion ont été comparées à des analyses ex-situ des μ\mu-structures de couches déposées sur notre machine SLM.

Ce travail est également alimenté par la mise en œuvre progressive d’un nouveau banc de mesures différenciant et destiné à reproduire de façon simplifiée l’étape de fusion de la poudre par le laser en permettant des observations plus aisées de la transition solide-liquide que ce qu’il est possible de faire sur la machine SLM du fait de problèmes d’accès optique, etc… Sur ce nouveau moyen, une attention particulière est portée sur la mesure de température par des méthodes infrarouges passive (thermographie) et/ou active. Ces dernières étant plus robustes vis-à-vis des fortes fluctuations des propriétés thermo-optiques de la poudre CoCrMo notamment à haute température.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-025

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