Chapitre 2 : Techniques expérimentales
2.1 Elaboration et fabrication
2.1.3 Fusion laser sur lit de poudres
2.1.3.4 Préparation numérique et paramètres du procédé
Le point de départ de l’ensemble de ces procédés est le fichier CAO en 3D de la géométrie à fabriquer.
Elle est importée au format dans un logiciel, Magics, qui permet la réparation des fichiers .stl, le
positionnement des pièces sur le plateau, la génération de supports, le choix des paramètres laser et des
stratégies de scan, le découpage en slices des pièces.
__________________________________________________________ 2.1 Elaboration et fabrication
Dessin des objets en CAO
Les pièces peuvent être dessinées avec n’importe quel logiciel de CAO. Elles sont exportées au format
.stl qui a historiquement été crée pour la stéréolithographie. Il décrit seulement la géométrie de surface
d’un objet par une série de triangles. Cette géométrie est nécessairement fermée.
Réparation des fichiers .stl
Après export des logiciels de CAO, les objets sont importés dans le logiciel Magics de Materialise qui
est le leader mondial dans les logiciels de fabrication additive. Les .stl ainsi importés peuvent contenir
des erreurs : triangles superposés, intersections de triangles... qu’il est indispensable de corriger. La
correction automatique peut être utilisée mais il est parfois nécessaire de corriger manuellement. Le
logiciel Magics dispose également d’outils de CAO qui permettent de dessiner des formes simples, de
réaliser des opérations booléennes...
Orientation et positionnement des pièces
Les formes les plus simples à fabriquer en SLM sont les murs droits et autres formes extrudées. Dans
la pratique, il est rare que de telles pièces soient réalisées par fabrication additive. Il faut alors faire
attention à un certain nombre d’éléments lors du positionnement des pièces. Il convient en premier
lieu de limiter les grandes surfaces à scanner en une même couche car elles sont propices à
l’apparition de fortes contraintes. Il faut limiter la quantité de supports, nécessaires dès lors qu’une
surface forme un angle inférieur à 45° avec le plateau, car ceux-ci sont parfois difficile à retirer
« proprement » et peuvent causer des rugosités indésirables. L’absence de support sur ces mêmes
surfaces provoque également rugosité, effondrements et même porosité car le lit de poudre n’est pas à
même de supporter la matière en fusion. Il faut détecter les géométries critiques pour le procédé SLM.
Plus l’angle est faible, plus la qualité de surface de la pièce sera mauvaise [144], [145]. Il faut donc
faire attention à toutes les surfaces en porte-à-faux : surfaces en pente en dessous de 45°, perçages,
fenêtres, épaulements, poches, évidements... et tenter d’orienter la pièce de manière à les éviter. On
place préférentiellement un cylindre ou un perçage parallèlement à la surface de construction et on
incline la pièce pour limiter les porte-à-faux. Il faut trouver un compromis afin d’assurer la meilleure
qualité de pièce en mettant la priorité sur les surfaces fonctionnelles.
Le positionnement des pièces sur le plateau doit en premier lieu éviter au recoater la rencontre avec
des faces ou arêtes parallèles au joint racleur. On pivote alors les pièces dans le plan (généralement de
5°). De plus, il est préférable d’éviter l’alignement des pièces dans la direction de passage du recoater
de sorte que, si un problème survient sur une pièce et abime le joint racleur, les autres pièces ne soient
pas impactées. De même, l’alignement des pièces dans la direction du balayage d’argon est déconseillé
pour éviter que des projections ne retombent sur la pièce adjacente en cours de scan et favorisent les
Chapitre 2 : Techniques expérimentales _________________________________________________________
porosités. Il n’est pas toujours évident de respecter ces règles alors qu’en général la fabrication d’un
maximum de pièces sur un plateau est souhaitée.
Génération de supports
Les supports sont essentiels en fabrication additive sur lit de poudre. Ils permettent de maintenir en
place les pièces pendant la fabrication, ils assurent le transfert de chaleur généré lors de la fabrication
de la couche supérieure vers le plateau de fabrication, ils limitent la déformation des pièces fabriquées
et supportent les nouvelles couches successives de surfaces en pente. Ils sont fabriqués dans le même
matériau que la pièce et peuvent être supprimés plus ou moins facilement. Il est essentiel de trouver un
compromis entre des supports assez « forts » pour maintenir la pièce et assez « faibles » pour être
aisément retirés.
Les supports sont de plusieurs types comme présenté en figure 37 [146]. Chaque type de support est
adapté à un différent type de surface à supporter. Les supports de type Block sont ceux
majoritairement utilisés.
Figure 37 : Les différents types de supports [146]
Un support peut être décomposé en deux parties fonctionnelles : des « dents », teeth, qui lient la pièce
à la partie principale des supports et permettent de limiter la surface en contact avec la pièce pour
faciliter le retrait, et la structure principale des supports. De nombreux éléments sont paramétrables sur
les supports tels que la distance entre les dents, la hauteur des dents, une fragmentation de la
structure... Il est également possible de créer des perforations de forme rectangulaires ou en losange
dans la structure principale des supports pour faciliter le détachement. L’ensemble de ces éléments va
déterminer la rigidité des supports et leur capacité à remplir leurs fonctions. Une étude assez complète
sur le design des supports a été réalisée en 2014 par Calignano [146].
Choix des paramètres de balayage et des stratégies
Comme mentionné en chapitre 1, les paramètres de scan les plus importants sont la vitesse de scan v
(mm/s), la puissance du laser P (W), la distance entre les hachures h (mm) et l’épaisseur de couche t
__________________________________________________________ 2.1 Elaboration et fabrication
nouveau matériau et ils peuvent être combinés pour former un paramètre de densité d’énergie en
J/mm
3. L’équation 4 rappelle la formule déjà évoquée au chapitre 1.
Équation 4
Pour la machine Realizer, avec balayage discontinu, cette formule devient (équation 5) :
Équation 5
La vitesse de scan dépend de l’inertie des miroirs optiques. La puissance maximale est définie par le
laser implanté dans la machine. Elle peut être de 400, 700 voire 1000 W, et certaines machines sont
équipées de deux lasers pour accélérer le processus. Ces deux paramètres sont souvent modifiés en
même temps. Une puissance élevée et une vitesse faible va générer un apport d’énergie très important
alors qu’une puissance faible et une vitesse élevée fournira très peu d’énergie au lit de poudre. Il est
essentiel de trouver l’équilibre adapté à une fusion complète et stable.
L’épaisseur de couche est choisie de manière à ce que la pénétration du laser et la profondeur du bain
de fusion soient assez importantes pour faire fondre les couches sous-jacentes, mais elle est limitée par
la taille des particules de poudre. Il n’est toutefois pas nécessaire de choisir une épaisseur de couche
supérieure à la granulométrie car lors de la fusion, le niveau supérieur « descend » grâce à la
densification de la matière. La couche suivante a donc une épaisseur plus importante que l’épaisseur t
imposée comme illustré par la figure 38. De plus, une épaisseur de couche faible améliore la résolution
en réduisant la rugosité induite par l’effet « escalier » dans les surfaces en pente.
Chapitre 2 : Techniques expérimentales _________________________________________________________
Il existe aussi plusieurs stratégies de scan pour contrôler les chemins suivis par le laser. Les deux
principaux patterns possibles sont représentés en figure 39 : chess et stripes (ou hachures). Dans les
deux cas, une ou plusieurs bordures forment les contours de la pièce, elles ont leurs propres paramètres
de puissance, vitesse... Dans le cas du chess, la taille des « carreaux » du damier est définie. Pour les
hachures, principalement utilisées dans ces travaux, une longueur maximale de vecteur est choisie
ainsi qu’un angle de rotation entre les hachures de deux couches consécutives. Tous les paramètres
peuvent être différents d’une pièce à l’autre sur un même plateau sauf la hauteur de couche qui doit
rester constante.
Figure 39 : Stratégies de scan