CHAPITRE I : ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES
I.4 Le procédé de fusion sélective par laser (SLM)
I.4.1 Optimisation du procédé SLM
La maîtrise du procédé passe généralement par la définition d'un paramètre énergétique unifié permettant d'intégrer la variété des paramètres d'éclairement et de stratégies envisageables en SLM. Différents auteurs ont également évalué directement les profondeurs et largeurs fondues en fonction des paramètres opératoires (P0, Vs, d, écart-vecteur) afin d'aboutir à une compréhension des conditions de
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I.4.1.1 Définition de la densité d’énergie
La définition d’un paramètre énergétique permettant d’intégrer la plupart des paramètres du procédé, tout en ayant une signification physique pertinente n’est pas simple. Différents auteurs ont proposé des paramètres combinés, afin de les associer aux états de surface ou aux taux de densification du matériau. Pour définir la densité d’énergie en soudage, on utilise souvent une énergie linéique LED (Linear Energy Density) en J/mm qui n'intègre pas le diamètre du faisceau laser :
𝐿𝐸𝐷 =
𝑃 𝑉(17) Avec P la puissance laser, V la vitesse de balayage.
Si on considère une densité d’énergie volumique VED (Volumetric Energy Density) en J/m3, la définition
varie en fonction de la littérature. La plupart des auteurs (Tableau I. 7) utilisent la définition suivante qui prend en compte l'écart vecteur mais cette définition a peu de signification physique:
𝑉𝐸𝐷
𝑑𝑖𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛=
𝑃 𝑉.∆ℎ.𝐻(18) Avec ∆h l’épaisseur de la couche et H l’écart-vecteur.
Une définition plus locale du dépôt source (J/m3) correspondant au rapport entre la puissance et la vitesse
dans les formulations de prédiction des profondeurs fondues en soudage serait:
𝑉𝐸𝐷
𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙𝑒=
𝑃
𝑉.𝑆
=
4𝑃𝜋.𝑉.𝐷2 (19)
Avec S la surface du spot laser et D le diamètre du spot.
La formulation de la densité d’énergie comme outil de maîtrise du procédé n’a cependant pas encore été validée. En effet, de nombreux auteurs représentent le % de porosité en fonction de la densité d’énergie mais la définition peut varier et l’influence de cette grandeur n’est pas concrètement vérifiée sur une large gamme de paramètres.
𝐏 𝐕 × 𝐇 × ∆𝐡
(Vandenboucke, 2006), (Gu, 2009), (Thijs, 2010), (Read, 2014), (Siddique, 2015), (Kasperovich, 2016), (Rao, 2016), (Criales,
2017), (Taheri, 2017), (Repossini, 2017), (Wang, 2017)
𝐏
𝐕 (Krauss, 2013), (Dai, 2014), (Wei, 2017) 𝐏 𝐕 × 𝐇 (Abele, 2015), (Cacace, 2017) 𝐏 𝐕 × 𝐃 (Casalino, 2014), (Okunkova, 2014) 𝐏 𝐕 × 𝐃 × ∆𝐡 (Scipioni Bertoli, 2017) 𝐏 𝐕 × 𝐒 (Liu, 2015)
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I.4.1.2 Dimensions des cordons
La connaissance des géométries de cordon peut être un paramètre clé pour maitriser le procédé. Ces géométries peuvent être obtenues par coupes métallographiques sur un mono-cordon ou directement au sein de pièces SLM. En considérant des mono-cordons, Li (2017) étudie l'évolution de plusieurs grandeurs (hauteur, largeur et profondeur) et montre que seules la profondeur et la largeur varient clairement avec P et V (Figure I. 33a). Les mesures faites sur mono-cordon ne prennent cependant pas en compte l’accumulation de chaleur à chacune des couches déposées ni l’impact de la stratégie de fabrication (Li, 2017). A l’inverse, les mesures de dimensions de cordons au cœur de pièces réelles sont
complexes (Criales, 2017). Enfin, la dernière couche doit permettre de mesurer correctement les largeurs et profondeurs pour une paramétrie (P0, V, D) donnée (Cloots, 2016).
Figure I. 33 : (a) Profondeur de mono-cordons en fonction de P, V (Li, 2017). (b) Méthode de mesure des géométries de cordons sur coupes métallographiques sur la dernière couche (Cloots,
2016).
Shi (2017) établit des corrélations entre la surface équivalente de la zone fondue Ap et un paramètre
combiné P13/7V-3/4, et entre la profondeur fondue et P.V-2/5 sans chercher à définir une vraie signification
physique à ces paramètres combinés. Les corrélations sont moins bonnes pour certains observables (profondeur) que pour d'autres (surface Ap). Il relie ces écarts à l’influence de la vaporisation du matériau
et aux effets qu'elle induit sur les géométries des cordons (Figure I. 34).
Figure I. 34 : (a) Détermination de la profondeur sur mono-cordon. (b) et (c) Corrélation linéaire de la profondeur D et de la surface inférieure Ap avec des paramètres combinés (Shi, 2017).
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Criales (2017) étudie les dimensions des cordons directement au cœur des pièces SLM. Son approche
originale fait la distinction entre deux tailles de bain liquide au sein de la même couche. Le type I correspond au début d'une ligne de fusion et le type II à la fin de cette ligne, en stratégie aller-retour
(Figure I. 35a). Dans le cas I, le cordon est formé sur un solide sous-jacent assez chaud car dans la
configuration de balayage choisie, le passage de la ligne n à la ligne n+1 ne laisse pas le temps au matériau de se refroidir. Dans le cas II (fin de cordon), la fusion est réalisée sur un matériau plus froid (refroidi pendant le temps 2.l0/V avec l0= longueur de la ligne scannée) et le bain liquide est plus petit.
Globalement, le volume fondu augmente légèrement avec la densité d'énergie (Figure I. 35b).
Figure I. 35 : Etude des géométries sur poudre In 625. (a) Distinction entre les cordons proches (type I) ou non (type II) de la ZAT du lasage précédent (b) et (c) La largeur est plus sensible à la
ZAT que la profondeur (Criales, 2017).
Enfin, Scipioni Bertoli (2017) fait le lien entre densité d’énergie et géométrie. Il formule un VED (en
J/mm3) qu’il tente de valider par les géométries et la morphologie des mono-cordons (Figure I. 36), et
qu'il définit par :
𝑉𝐸𝐷 =
𝑃𝑉.𝐷.∆ℎ
(20)
Avec D le diamètre du spot laser et ∆h l’épaisseur du lit de poudre.
Il lui permet de distinguer les transitions entre les différents régimes d'interaction (balling, stable, humping). Par exemple, il observe que tous les cordons à VED < 100 J / mm3 seront en régime de balling.
En l’état, un tel VED ne lui permet pas de quantifier correctement la profondeur fondue lors du changement de régime d'interaction (conduction ⟶ keyhole). Il propose alors d’utiliser le modèle de
King (2014) [dérivé de l'approche de (Hann, 2011) déjà présentée en soudage] qui est plus approprié pour décrire la transition conduction/keyhole (Figure I. 37) et représente (d/σ) le rapport profondeur sur diamètre du spot en fonction de l'enthalpie normalisée ΔH/∆Hs (avec ∆Hs l’enthalpie à la fusion).
Pour King (2014) et Scipioni Bertoli (2017), l’utilisation du même modèle permet à la fois de déterminer un seuil de formation du capillaire, et de reproduire l'évolution des profondeurs fondues en accord avec les données expérimentales pour des mono-cordons SLM.
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Figure I. 36 : Utilisation d’un VED en fonction de (a) la largeur et (b) de la profondeur. Le VED décrit mieux l’évolution de la largeur du mono-cordon que celle de la profondeur (Scipioni Bertoli,
2017).
Figure I. 37 : Utilisation du modèle de King (2014) [dérivé de (Hann, 2011)]. Rapport profondeur sur diamètre du spot (δ/D) en fonction de l'enthalpie normalisée ΔH/∆Hs pour une couche de 316L
de 50 µm (Scipioni Bertoli, 2017).