Matériaux disponibles

Les procédés de fabrication additive mettent en jeu des phénomènes physiques

diffé-rents des moyens conventionnels. Par conséquent, l’utilisation de certains matériaux dans

les procédés additifs peut poser des problèmes du même type qu’une coupe difficile en

usinage ou une mauvaise coulabilité en moulage. Les alliages de Titane, par exemple,

ne s’usinent pas facilement [BSI

+

10], alors qu’ils sont très utilisés en LBM et EBM. De

nombreux matériaux présentant d’excellentes propriétés mécaniques (Titane pur, TiAl,

Ti6Al4V, Aluminium-Lithium, etc), des résistances élevées à la corrosion (Inconels par

exemple) ou des coefficients de dilatation thermique très faibles comme l’Invar, peuvent

être utilisés en fabrication additive. La grande facilité d’emploi de ces matériaux,

généra-lement qualifiés de "techniques" à cause de leur coût élevé et de leur emploi complexe dans

des moyens conventionnels, offre une liberté au concepteur qui peut choisir des matériaux

en dehors des aciers et des alliages d’aluminium usuels.

Le choix des matériaux peut malgré tout être une contrainte lorsque les jeux de

para-mètres n’ont pas été mis au point pour ce matériau. En effet, ce type de procédé possède

de nombreux paramètres qui influent sur le phénomène de fusion. Il est difficile de qualifier

un nouveau matériau en garantissant une matière saine et des propriétés répondant aux

normes. Les conditions de fabrication, en particulier, peuvent poser problème en termes

de stabilité de la composition métallurgique des poudres d’alliages.

La fusion d’alliages de métaux avec des points de fusion très différents peut poser la

question de l’évaporation du métal ayant le point de fusion le plus faible. Le catalogue

des matériaux disponibles est donc parfois limité en ce qui concerne les aciers et les

alliages d’aluminium (selon les procédés et les fabricants de machines). De plus, certains

fabricants empêchent l’utilisation de matériaux non qualifiés sur leurs machines.

D’autre part, la maîtrise des propriétés de la source d’énergie qu’offrent les procédés

par couches devrait permettre d’affiner le type de liaison réalisée, qu’il s’agisse de fusion

locale, de fusion partielle ou d’une consolidation s’apparentant à du frittage. Le procédé

EBM exploite d’ores et déjà cette propriété puisque le faisceau d’électrons lie partiellement

la poudre lors de la mise à température de chaque couche et réalise des opérations de fusion

lors de la fabrication des pièces. La maîtrise des paramètres de fusion et de l’historique

thermique des différents volumes d’une pièce devrait par ailleurs permettre de prédire

le type de microstructure en tout point de la pièce. A terme, il sera vraisemblablement

possible de modifier localement les propriétés du matériau d’une pièce.

Ces changements importants au niveau du type de matériaux utilisables, ainsi que

des possibilités concernant la réalisation de gradients de propriétés de matériaux au sein

des pièces, modifient le domaine des possibles dans la conception de produits.

2.4 Conclusion

Nous avons vu dans ce chapitre que les procédés additifs en couches permettent de

réaliser des formes difficilement voire non fabricables, avec des procédés conventionnels.

Les nouvelles libertés de conception sont les suivantes :

– le peu de déformations engendrées, si la thermique du procédé est maîtrisée, et la

petite taille de la zone de fusion lors de la mise en forme, permettent la fabrication

de pièces de faible épaisseur et de grandes dimensions.

– l’accès à l’intégralité du volume de fabrication autorise la réalisation de pièces

com-plexes, et notamment l’obtention de surfaces en contre-dépouille. De plus, la phase

de préparation de la fabrication n’est pas impactée par la complexité des volumes

réalisés.

– l’utilisation conjointe de la grande accessibilité et de la petite taille de fusion permet

la réalisation de structures légères, tels les treillis tridimensionnels, et la fabrication

de matériaux architecturés.

– l’accessibilité permet également la superposition des volumes fondus suivant l’axe

vertical. Cette propriété peut être utilisée pour empiler les pièces afin d’améliorer la

productivité du moyen ou pour réaliser des pièces imbriquées les unes dans les autres

et ainsi produire des mécanismes qui ne nécessitent pas d’assemblage ultérieur.

Nous avons identifié trois principales contraintes de fabrication :

– la fabricabilité dépend principalement de phénomènes thermiques qui engendrent

des déformations pouvant conduire à des non-conformités ou à l’interruption de la

fabrication.

– la qualité dimensionnelle, géométrique et surfacique des pièces est moins bonne que

ce qui est habituellement obtenu par usinage. Les surfaces fonctionnelles peuvent

né-cessiter des opérations de finition, si de faibles rugosités sont spécifiées par exemple.

– une fois les pièces fabriquées, il est nécessaire de récupérer la poudre non fondue pour

pouvoir retirer la pièce et réutiliser la poudre. Il faut donc prendre en compte cette

opération lors de la conception. L’utilisation des procédés de dépoudrage classiques

n’est pas suffisante pour enlever toutes les particules de poudre et notamment celles

collées aux surfaces. Pour parvenir à ce résultat, d’autres procédés doivent être

utilisés.

Enfin, la liste des matériaux utilisables est différente de ce que l’on rencontre

clas-siquement en fabrication mécanique. Les aciers et alliages d’aluminium ne représentent

qu’une très faible partie de la production, alors que les alliages de Titane et les super

alliages sont très présents. Il s’agit là d’une contrainte puisque tous les matériaux ne sont

pas disponibles et que le concepteur doit changer ses habitudes, mais il s’agit surtout

d’une liberté de conception grâce à l’accès facile à des matériaux très techniques en

bé-néficiant d’une fabrication aisée. Cette opportunité permet la conception de pièces plus

légères, ou plus à même de répondre aux besoins exprimés dans un cahier des charges

fonctionnel.

La prise en compte du nouveau domaine des possibles que nous venons de dessiner,

nécessite la caractérisation des différentes contraintes de fabrication notées dans ce

cha-pitre. Ces contraintes permettront d’établir des règles qui pourront être utilisées au sein

d’une démarche de conception. Vues les différences importantes qui existent entre les

pro-cédés additifs en couches, la caractérisation des contraintes sera menée pour le procédé

de fabrication EBM dont nous disposons au laboratoire.

Chapitre 3

Facteurs influençant la conception

des produits fabriqués par EBM

3.1 Introduction

Nous avons vu précédemment que les procédés de fabrication additive font évoluer le

domaine des possibles en conception de produits. Cette évolution est due à l’apparition

de nouvelles libertés de conception et de nouvelles contraintes de fabrication. Afin de

tenir compte de cette évolution, les phénomènes qui ont lieu durant la fabrication doivent

être explicités pour être pris en compte lors de la conception des pièces. Ces phénomènes

variant d’un procédé à l’autre, nous nous intéresserons dans ce chapitre à leur définition

et à leur caractérisation pour le procédé de fusion par faisceau d’électrons EBM.

Dans un premier temps, nous présenterons en détail le procédé EBM, en insistant

sur ses particularités par rapport aux autres procédés additifs métalliques en poudre.

Dans une deuxième partie, nous caractériserons les différents facteurs influents par une

démarche expérimentale. Nous verrons ensuite quels sont les paramètres qui impactent la

durée de fabrication et le coût de revient des pièces. Nous conclurons enfin sur l’intérêt

de cette caractérisation et sur la manière de l’utiliser efficacement en conception.

Dans le document Conception pour la fabrication additive, application à la technologie EBM (Page 59-63)