La tomographie 3D in situ pour mieux comprendre la fabrication additive

Publié par Redbran le 28/05/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs des laboratoire SIMaP, LTDS et de l'ESRF ont conçu et testé un dispositif qui permet de suivre par tomographie aux rayons X l'évolution d'une pièce pendant sa fabrication par fusion sélective de poudre métallique par laser. Cette étude, qui ouvre la voie à une optimisation de la qualité des pièces, vient d'être publiée dans la revue Additive Manufacturing.


Image 3D d'un mur en construction: l'évolution du mur (morphologie, défauts internes, état de surface) est suivi in situ couche par couche. Le lit de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre...) dans lequel baigne le mur en réalité lors de l'élaboration a été virtuellement éliminé par traitement d'images 3D.
© Pierre Lhuissier - SIMaP

La fabrication additive de pièces métalliques, par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) locale d'un lit de poudres par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...), a l'avantage de faciliter la production de pièces de géométries complexes. Elle intéresse les industriels de l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.), de l'outillage, ou encore du biomédical. Mais en raison du grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de paramètres (vitesse et puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du laser, compositions des poudres, stratégies de fusion, etc.), la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon ceux-ci.) du procédé est complexe. Les conditions d'apparition de défauts (pores, fissures, rugosités de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...), etc.) sont en particulier difficiles à identifier: ceux-ci ne sont détectés qu'après fabrication, ou parfois en conditions in situ par rayons X, mais uniquement en 2D et pour une faible épaisseur de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...).

Pour la première fois, des chercheurs du laboratoire Sciences et ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et procédés (SIMaP, CNRS/Université Grenoble Alpes/ Grenoble INP) ont conçu et testé un dispositif qui permet de suivre en 3D, par tomographie aux rayons X, l'évolution d'une pièce pendant sa fabrication par fusion sélective de poudre métallique par une source laser fournie par le Laboratoire de tribologie et dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des systèmes (LTDS, CNRS/École Centrale de Lyon/ENISE/ENTPE).

La tomographie aux rayons X est une technique d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression mécanique ;...) permettant la reconstruction 3D d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) à partir des vues réalisées sous différents angles autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) de la pièce. Pour réaliser leur étude, les chercheurs du SIMaP et de la ligne ID19 du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) européen (ESRF, Grenoble) ont utilisé le faisceau de rayons X de cette ligne de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde...). Ils ont pour cela conçu spécifiquement une réplique de chambre de fabrication additive adaptée à la tomographie synchrotron (rotation de la chambre sur une platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du laser, atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) protectrice, etc.). Ensuite, afin de tester les possibilités offertes par leur machine expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. ...), les chercheurs ont observé pas à pas la réalisation, à partir d'une poudre d'un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), d'un "cordon" de fusion unique, puis de deux cordons adjacents. Ces expérimentations ont montré qu'il était possible de mettre en évidence les conditions d'apparition de défauts, notamment les porosités, en étudiant séparément l'influence de paramètres tels que la puissance du laser, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) de la poudre, etc.

La preuve de concept réalisée par ce dispositif ouvre la voie à des projets de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) visant à mieux comprendre l'origine des défauts dans les pièces et à terme à la mise au point (Graphie) de stratégies de corrections en ligne de ces défauts durant la fabrication.


Influence des paramètres du laser (puissance et vitesse de balayage) sur la morphologie des murs produits par empilement de cordons. Le lit de poudre dans lequel baignent les murs en réalité lors de l'élaboration a été virtuellement éliminé par traitement d'images 3D.
© Pierre Lhuissier - SIMaP


Evolution des porosités internes lors de l'enchaînement des couches lors de l'élaboration d'un mur.
© Pierre Lhuissier - SIMaP

Références:
In situ 3D X-ray microtomography of laser-based powder-bed fusion (L-PBF) - A feasibility study,
P. Lhuissier, X. Bataillon, C. Maestre, J. Sijobert, E. Cabrol, et al.
Additive Manufacturing Elsevier.
https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101271

Contacts:
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
- Pierre Lhuissier - SIMaP - pierre.lhuissier at simap.grenoble-inp.fr
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