La fabrication additive s'invite au synchrotron

Des chercheurs du laboratoire SIMaP (Sciences et Ingénierie des Matériaux et Procédés) de Grenoble, en collaboration avec des chercheurs de l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facilities) et du laboratoire LTDS (Laboratoire de Tribologie et de Dynamiques des Systèmes) de Saint Etienne, ont mis au point un dispositif permettant une caractérisation non-destructive en 4D (3 dimensions de l’espace + dimension temporelle) d’un procédé d’impression 3D métallique. Ce « réplicateur » de fabrication additive par fusion de laser sur lit de poudres sous rayonnement synchrotron permet notamment de comprendre la genèse des défauts inhérents à ces procédés innovants. Ce type de dispositif permettra aussi, dans le futur, de développer des stratégies correctives afin de répondre aux aléas rencontrés en cours d'élaboration. Les résultats démontrant la possibilité de réaliser une telle caractérisation ont été publiés le 18 avril dans la revue Additive Manufacturing.

L’impression 3D métallique : un enjeu industriel colossal
La fabrication additive, mieux connue du grand public sous le nom d’impression 3D, est une voie d’élaboration par ajout de matière couche-par-couche. Les techniques autorisant la fabrication de pièces métalliques sont particulièrement pertinentes pour les industries de l’outillage, de l’aéronautique et de l’aérospatiale ainsi que pour l’industrie biomédicale. Ces procédés de fabrication offrent un grand nombre de degrés de libertés, notamment au niveau du design autorisant la réalisation de géométries complexes inaccessibles jusqu’ici tout en limitant la consommation de matière première (procédés « near-net shape »). Si ces technologies apparaissent prometteuses, de nombreux verrous scientifiques doivent être levés avant de parvenir à une démocratisation de ces procédés dans l’industrie. Notamment ces procédés souffrent encore de la présence de défauts qui conduisent souvent à un abaissement des propriétés mécaniques des pièces produites. Ainsi, il devient essentiel de mener des recherches afin de mieux comprendre les mécanismes à l’origine de ces défauts mais aussi de retracer la genèse de ces défauts qui peuvent évoluer en cours de fabrication.

Des caractérisations in situ possibles mais limitées
Dans ce contexte, les équipes de recherche les plus à la pointe sur le sujet mènent des observations in situ. Deux stratégies peuvent être adoptées. La première repose sur des informations de surface obtenues par imagerie optique ou thermique en cours d’élaboration : des caméras sont implantées dans la machine et pointent sur la couche en construction. La seconde approche utilise l’imagerie rapide par rayons X (radiographie) lors de la fusion d’un seul et unique cordon dans des dispositifs dédiés ne permettant pas l’empilement de couches successives. Ces approches ont déjà permis d’améliorer notre compréhension des interactions entre le source d’énergie et le lit de poudres. Cependant, ces deux stratégies souffrent de plusieurs limitations, en particulier elles se limitent à une information de surface (2D) pour la première et ne sont exploitables que pour des cordons simples pour la seconde ce qui ne permet pas de rendre compte des passages successifs du laser : cordons adjacents et empilement de couches.

Animation d'un mur en construction :  l’évolution du mur (morphologie, défauts internes, état de surface) peut être suivi in situ couche par couche. Ici le lit de poudre dans lequel baigne le mur dans la réalité a été virtuellement éliminé via des algorithmes d’analyses d’images dédiés et développés spécifiquement pour cette étude.

Une nouvelle approche de caractérisation en 4D (3D + temps)
Ces deux obstacles viennent d’être surmontés grâce au développement d’un « réplicateur » de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudres compatible avec une caractérisation 3D non-destructive par tomographie sous rayonnement synchrotron avec une résolution de quelques micromètres. La tomographie aux rayons X est une technique d'imagerie permettant la reconstruction 3D d'un échantillon à partir des vues réalisées sous différents angles autour de la pièce. Le terme de caractérisation 4D est employée pour souligner le fait qu’outre les informations volumiques obtenues via la tomographie aux rayons X, la dimension temporelle vient s’y ajouter avec des informations sur la chronologie des évènements mis en évidence.
Les premiers résultats obtenus grâce à ce développement expérimental démontrent la faisabilité d’une telle approche mais illustrent également au travers de quelques exemples (Figure 1 et 2) comment l’imagerie 3D réalisée après le dépôt de poudre et après fusion locale permet d’élucider certains mécanismes de formation des défauts mais surtout de retracer l’historique de ces défauts en cours de fabrication. Une partie importante des recherches a consisté à développer des outils d’analyse d’image adaptés de manière à faire ressortir les informations clés.

Image 3D d’un mur en construction : présence de défauts de type porosité à la couche n°2 qui sont partiellement « guéris » à la couche n°3.

Une approche prometteuse
Fort de ce premier succès, l’équipe cherche actuellement à améliorer le dispositif de manière à pouvoir profiter des nouvelles possibilités offertes en termes d’imagerie synchrotron suite à l’upgrade de l’ESRF afin d’avancer dans la compréhension fine des mécanismes inhérents à ces procédés de fabrication additive métallique.

Références
In situ 3D X-ray microtomography of laser powder bed fusion (L-PBF) – A feasibility study,  Pierre Lhuissier et al., Additive Manufacturing 34 (2020) 101271.https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101271

D’autres illustrations sont disponibles en ligne via le lien https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02558318/

On en parle aussi ici (INSIS-CNRS)