Principe général de fonctionnement du procédé

Il est possible de situer les débuts du prototypage rapide avec les travaux important de Hideo Kodama dans les débuts des années 1980 [45]. Suite à ses travaux, les États-Unis ont mis un effort particulier à développer les techniques de prototypage rapide car elles permettent de mettre en production plus rapidement les nouveaux produits [46]. Néanmoins le premier brevet de la technologie de consolidation sélective de poudre métallique par un laser date de 1971 et provient d'un inventeur français : Pierre Ciraud [47]. Il est à noter que l’on parle de prototypage rapide dans le cas de la génération d’une pièce prototype. Dans le cadre de cette thèse, seuls sont mentionnés les termes de fabrication «directe» ou additive car les pièces sont fabriquées à partir de fichiers numériques et par ajout de matière (le terme "directe" est un abus de langage car il existe des étapes intermédiaires complexes entre le fichier numérique et la fabrication à proprement parler). Cette transition du prototypage vers la fabrication a été possible suite aux améliorations successives des machines de fabrication (puissance, focalisation et pilotage du laser, mécanique de déplacement du piston de fabrication, etc.), de la matière d’apport (poudres) et des méthodes d'optimisation des paramètres de fabrication.

Le procédé de frittage sélectif par laser est un procédé additif couche par couche, c'est-à- dire que de la matière est ajoutée à la pièce au cours de sa fabrication [48]. Il s'agit donc d'un procédé qui s'oppose aux procédés par enlèvement de matière où un outil, de tournage ou de fraisage par exemple, vient retirer de la matière à la pièce à mettre en forme. Andreas Gebhardt découpe ainsi ces procédés en quatre étapes majeures [48], Figure 23. Ainsi la première étape de la fabrication par frittage sélectif par laser est la conception assistée par ordinateur ou la numérisation d’une forme réelle (rétro-ingénierie) dans les trois dimensions de l’espace. Il est ainsi possible de numériser une forme réelle à partir d’un scanner médical par exemple [49]. La deuxième étape consiste à découper le modèle numérique en couches. Cette étape peut se diviser en deux, tout d’abord il faut déterminer la meilleure direction de fabrication de la pièce et enfin définir l’épaisseur des couches désirées. La meilleure direction de fabrication doit prendre en compte l’anisotropie des propriétés mécaniques liée au procédé et l’effet de l’orientation des couches sur l’aspect des surfaces (contre-dépouilles).

P a g e | 33 Figure 23 : Chaîne du processus selon Gebhardt [48]

Les épaisseurs des couches sont ensuite déterminées en fonction des possibilités de la machine, des poudres thermoplastiques et du coût de la pièce. En effet plus les épaisseurs seront faibles, meilleure sera la précision dimensionnelle de la pièce mais plus les temps de fabrication seront longs et donc plus les coûts de la pièce fabriquée seront élevés.

La troisième étape est la fabrication de la pièce.

La dernière étape est le post traitement de la pièce. Il peut se résumer à simplement récupérer la pièce dans le bac de fabrication et éliminer la poudre non consolidée. Il peut aussi être complété par un microbillage, soufflage, polissage, l'application d'un revêtement ou encore par un traitement thermique.

Les travaux de thèse n’ont concerné que l'étape de fabrication de la pièce. La création du modèle numérique, le découpage ou les post-traitements ne seront pas abordés (hormis le traitement thermique sur certaines pièces).

Les deux fabricants principaux de machines de frittage sélectif par laser de polymères thermoplastiques sont 3D Systems Inc. [50] et EOS Gmbh [51]. Ces deux fabricants de machines utilisent le même principe général de fonctionnement, Figure 24 :

Le matériau d’apport est une poudre de polymère thermoplastique. Lors de la mise en forme, la poudre est placée dans un ou deux bacs d'approvisionnement. Ce ou ces bacs d’alimentation, ainsi que la machine entière, sont ensuite chauffés durant 1 à 2 h afin d’atteindre l’équilibre thermique. La poudre est ensuite étalée sous la forme d'un lit de poudre d'environ 80 à 150 µm d'épaisseur, typiquement 120 ou 150 µm pour le polyamide 12. La couche de poudre se trouve alors, par convention, dans le plan XY de fabrication. Cet étalement se fait à l’aide d’un rouleau ou d’un racleur (en acier ou en céramique), lui-même pouvant aussi être chauffé. Afin d’obtenir une consolidation satisfaisante des couches de poudre, la température à la surface du bac de fabrication peut être maintenue proche du début de fusion des plus petits cristallites de la matière [54] [55]. Il est aussi possible de choisir une température inférieure à la température de transition vitreuse pour fritter des poudres composées de PEEK (110 ou 140 °C comparés à une température de transition vitreuse de 143 °C) [56]. Une fois que quelques couches sont déposées dans le bac de fabrication, un laser vient insoler la zone souhaitée pour obtenir la fusion totale ou partielle des particules de poudre et ainsi permettre la consolidation. La consolidation se fait à l’état solide et à l’état liquide, c’est pour cela qu’on ne parle pas de fusion sélective par laser mais bien de frittage dans le cas des thermoplastiques. Il serait d’ailleurs plus juste d’utiliser le terme de frittage en phase liquide [57].

La stratégie de balayage des surfaces par le faisceau laser est un des facteurs clés du procédé SLS. De façon classique plusieurs stratégies sont observables :

- le hachurage de la surface suivant le même vecteur,

- le hachurage de la surface suivant la même direction mais avec des sens différents, le laser effectue ainsi des aller-retours parallèles,

- même stratégie que précédemment mais une étape de contournement vient compléter la consolidation des bords de la pièce à fabriquer (afin de compenser la déperdition de chaleur et/ou obtenir un meilleur état de surface de la pièce fabriquée).

Il existe encore de nombreuses techniques de balayage comme le découpage de la surface à consolider en carrés, adapter la stratégie de balayage à la forme de la surface à consolider ou encore adapter la stratégie pendant la fabrication en mesurant les champs de température de façon à minimiser les gradients de température.

Une fois que la première couche est consolidée, le bac de fabrication descend de 80 à 150 µm (dans le sens Z) et une nouvelle couche est étalée à sa surface par un racleur ou un rouleau. La stratégie de balayage est adaptée à cette nouvelle couche et la surface souhaitée est consolidée. La machine procède ainsi par itération jusqu’à l’obtention du volume complet de la pièce. Une fois que le volume complet de la pièce est obtenu, il est préférable de continuer à étaler une dizaine de couches et de laisser refroidir le bac de fabrication avant de récupérer les pièces fabriquées. La durée de refroidissement est généralement directement liée à la durée de fabrication. Si la fabrication des pièces a duré 12 h, 12 h supplémentaires seront nécessaires avant de pouvoir récupérer les pièces au centre du bac de fabrication. La poudre non consolidée peut ensuite être, dans certains cas, tamisée et réutilisée pour un cycle de fabrication, c’est ce qu’on appelle le recyclage. Mais, il est nécessaire de connaitre en détails l’évolution des propriétés de cette poudre pour ne pas dégrader la qualité des pièces fabriquées. Un effet peau d'orange est parfois observé suite à un taux de matière recyclé trop important à l'intérieur de la poudre, Figure 25.

P a g e | 35 Figure 25 : Photographie d'une pièce en PA12 consolidée par laser présentant un effet peau d'orange dû à l'augmentation de la viscosité de la poudre consécutif à un trop grand nombre de

cycles de recyclage, d'après Kruth et al. [58]