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Traitements sur pièces métalliques issues de fabrication additive, Journées A3TS

Les 6 et 7 décembre derniers, étaient organisées à Colmar les journées A3TS portant sur les procédés de post-traitement et de finitions des pièces métalliques obtenues par fabrication additive. Plus de 130 participants se sont rassemblés à l’occasion de cette conférence. Parmi les participants, étaient présents de nombreux universitaires et représentant d’instituts, des acteurs de la fabrication additive métallique (Poly-shape, Volum-e, Irepa Laser, SLM Solutions) et des post-traitements (Bodycote, Aquarese, Sonats, Hauck Heat treatment), et également une forte représentation des secteurs d’applications potentiels de la fabrication additive : l’aéronautique et l’aérospatiale (Safran, Airbus, Zodia aerospace, Stelia aerospace, Dassault Aviation), le secteur des transports terrestres (automobile avec Renault Sport Racing, ferroviaire avec SNCF, maritime avec Naval Group), l’horlogerie et la joaillerie.

L’ensemble des travaux présentés au cours de ces journées a été motivé par un constat commun : la viabilité économique de la fabrication additive métallique est fortement affectée par la complexité des opérations de post-traitement nécessaires aujourd’hui pour obtenir les propriétés fonctionnelles visées. Les principales problématiques de post-traitement des pièces métalliques issues de fabrication additive sont les suivantes :

  • Les cinétiques ultra-rapides de fusion et solidification créent des contraintes résiduelles importantes dans les pièces fabriquées et des structures fortement hors équilibres. Des traitements thermiques spécifiques doivent être conduits dans la plupart des cas.
  • L’état de surface des pièces fabriquées est considéré comme médiocre par rapport aux procédés conventionnels et constitue un réel verrou technologique. La possibilité de créer des pièces de géométrie complexe qui est l’un des intérêts forts de la fabrication additive rend en contrepartie le polissage très difficile par les techniques existantes.
  • La construction des pièces sur un plateau auquel elles sont soudées au moment de leur fabrication ainsi que la nécessité d’utiliser des supports de fabrication dégradant encore l’état de surface rajoutent également des opérations supplémentaires de découpe notamment.
  • Les géométries complexes rendues possibles par la fabrication additive rendent l’élimination complète de la poudre non fondue également très difficile, ce qui est rédhibitoire pour certaines applications notamment aéronautiques, d’où l’obligation d’opérations de nettoyage.
  • Enfin, les pièces fabriquées ne sont pas exemptes de défauts notamment de type porosités. Les moyens de contrôle et la compréhension de l’impact de ces défauts sur les propriétés fonctionnelles ne sont pas encore suffisamment maîtrisés pour fiabiliser les applications.

Ainsi, les pièces sont loin d’être finies en sortie de machine. Les ordres de grandeurs des coûts de post-traitement mentionnés au cours de ces journées varient entre 30 à 60 % du coût total de la pièce. Le délai de fabrication (lead time) est aussi largement affecté par les opérations de post-traitement.

Au cours d’une présentation, Stelia Aerospace fait le constat d’un marché de la fabrication additive non encore totalement industrialisé avec une logistique peu établie et un marché non structuré. Une consultation des acteurs de la fabrication additive sur une des applications de Stelia (pièce Venturi) a donné lieu à une grande variabilité de prix fortement dépendants du savoir-faire des constructeurs. De plus, les efforts de polissage nécessaires sur cette pièce Venturi pour arriver à des rugosités (Ra) inférieures à 5 µm comme exigé sont trop importants aujourd’hui pour rendre la technologie économiquement intéressante. Ainsi, pour Stelia, le développement industriel de la fabrication additive métallique est un impératif pour la rendre compétitive.

Un challenge technique auquel s’attèle un nombre important de groupements académiques-industriels français au travers de projets collaboratifs. On retiendra les projets suivants :

  • Le projet FAIR piloté par Air Liquide et Poly-Shape qui a donné lieu à 4 présentations des partenaires au cours des deux journées. Ce projet vise à développer la fabrication additive pour la construction d’échangeurs thermiques et réacteurs utilisés pour la production d’hydrogène. Les verrous techniques que doivent lever les partenaires du projet portent sur l’optimisation des paramètres process de fabrication additive (laboratoire PIMM de l’ENSAM), l’étude de la résistance à la corrosion de la pièce (CIRIMAT), l’étude des possibilités de protection par revêtement (IJL), additionnés aux problématiques liées à la réglementation sur les équipements sous pression.
  • Le projet AFTER-ALM piloté par l’IRT-M2P qui a pour objectif de développer des technologies d’optimisation des états de surfaces sur pièces issues de fabrication additive et de les évaluer en terme de qualité atteignable. Les technologies étudiées sont : le polissage chimique ou électrochimique, le polissage électrochimique plasma, le revêtement nivelant, la tribofinition, le polissage laser et le polissage jet d’eau. Les travaux réalisés sur le polissage chimique et le polissage par jet d’eau ont été présentés plus spécifiquement par les partenaires impliqués (respectivement Prodem et Aquarese).
  • Le projet METALTECHNICS piloté par l’IRT Saint-Exupéry visant à apporter les premiers éléments pour préparer la qualification de pièces de structures en titane élaborées par fabrication additive (EBM ou LBM) pour le marché de l’aéronautique. Les travaux visent à répondre aux trois questions suivantes : quel est l’impact du recyclage des poudres ? quel est l’impact des défauts de porosités ? quel est le traitement thermique optimal ? Quelques éléments de réponse sont donnés dans la présentation de l’IRT Saint-Exupéry, notamment concernant l’impact des porosités : par LBM contrairement à ce qui est observé par EBM, les porosités n’engendrent pas de baisse significative des propriétés mécaniques statiques. Cependant pour les deux procédés, ces porosités dégradent la tenue en fatigue. Ce projet devrait donner lieu à un nouveau projet : le projet AnDDurO.

Pour plus d’informations sur cette thématique, vous pouvez contacter Astrid Hecquet