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Traitements et parachèvements des pièces métalliques issues de la fabrication additive

Le congrès « Traitement et parachèvement des pièces métalliques issues de la fabrication additive » dans sa 3ème édition s’est déroulé au centre des Congrès Robert Schuman à Metz le 10 et 11 décembre 2019. Ces journées, organisées par l’A3TS (Association de Traitement Thermique et de Traitement de Surface) en partenariat avec l’Association Titane, ont permis des échanges riches entre  chercheurs, scientifiques et industriels autour des thématiques de traitements et parachèvement post-fabrication additive. Cette édition a pu rassembler près de 90 participants qui ont pu assister à une vingtaine de présentations autour de cette thématique. Ces deux jours de présentations et d’échanges sont clôturés par une visite du site de Metafensch plateforme publique de R&D industrielle implanté dans l’Est.

Difficultés rencontrées pour les pièces de grandes dimensions 

Au cœur de la stratégie de développement de Safran, la fabrication additive est complètement intégrée et  concerne plusieurs matériaux (métalliques, céramiques- composite, polymère, …).

Bruno Macquaire de Safran additive manufacturing a débuté sa présentation par l’historique des travaux autour de la fabrication additive de Safran en citant les principales étapes ; le début des travaux sur les poudres dans les années 2000 suivie par la rédaction des procédures process et enfin l’aboutissement avec la production et la certification des pièces. Il a été indiqué que le LBM (Laser Beam Melting) et le MIM (Metal Injection Molding ) sont des technologies suffisamment matures et qu’on s’intéresse de plus en plus au DED (Directed Energy Deposition). Il a évoqué également la nécessité de développer des moyens de CND adaptés aux pièces produites de grandes dimensions.

Les matériaux à gradient de propriétés issues de la fabrication additive consistent une voie très prometteuse mais c’est encore en cours de développement à l’échelle du laboratoire.

Preuve d’un grand dynamisme autour de la fabrication additive, il a annoncé le lancement d’une nouvelle usine dédiée à la fabrication additive qui sera installée à Bordeaux, l’inauguration est prévue prochainement courant l’année 2020.

Hugo Sistach de Safran Aircraft Engines a discuté la contrôlabilité de pièces aéronautiques en fabrication additive. Il a pointé le manque de maturité des moyens de contrôles non destructifs en indiquant que la fabrication additive présente de nouvelles propriétés et anomalies qui ne sont pas totalement détectables et identifiables avec une bonne confiance et à une dimension acceptable pour pièces aéronautiques avec le CND standard développé pour les processus conventionnels. Quelques exemples ont été présentés tel que la difficulté de commenter des résultats de ressuage et Rayons X quand il s’agit de surface brut de fabrication. La micro-tomographie est un moyen efficace mais qui reste un moyen assez cher. Le besoin de détecter tous types d’anomalies sur pièce et d’industrialiser des moyens CND est clairement ressenti afin de répondre à un besoin plus important qui est d’approfondir la relation entre les anomalies détectables et les propriétés mécaniques.

Guillaume Ruckert de Naval group a présenté les travaux sur la mise en œuvre du dépôt fil (WAAM) pour la fabrication d’ébauches de grandes dimensions. Il a mis l’accent sur la complexité importante des pièces vue la fonctionnalité et les contraintes de fonctionnement en indiquant que les problématiques et les verrous technologiques sont adaptés à un effet de taille des pièces.

L’intérêt de WAAM est multiple : la vitesse de dépôt, la réduction des durées d’usinage, les possibilités offertes en termes de complexité de forme géométrique et une promesse de montée en maturité assez rapide (car similaire au soudage automatisé).

Des travaux sont en cours sur la simulation du procédé pour la prédiction des microstructures et des contraintes résiduelles, mais la physique est complexe et les modèles sont assez lourds. Un démonstrateur à échelle représentative a été réalisé. Présentant des limites sur pièces de grandes dimensions et de forme complexe, les moyens CND des procédés conventionnels doivent être adaptés. Egalement, une nécessité de développer des moyens complémentaires a été exprimée et qui permettent le monitoring du procédé afin de suivre les éventuelles dérives du procédé ainsi que le contrôle in process afin de rendre possible le contrôle « à chaud » de détection de défauts en cours de fabrication.

Actuellement, l’étape d’industrialisation est en cours en utilisant un équipement sur le site de production de Nantes-Indret pour la fabrication de pièces en série  (Essais prévus à la mer en 2020). Des travaux de conformité et de qualification sont également en cours.

Besoin de développement des moyens numériques

Une présentation sur l’évolution de la technologie de la fabrication additive est donnée par Thierry Sortais de SAS convergence. Il a déclaré que la fabrication additive est une révolution avec un vrai potentiel d’évolution mais que le revers de la médaille est difficile à anticiper. La compétitivité de cette technologie n’a pas encore trouvé sa maturité. Le développement des méthodes de calcul pour optimiser les moyens de simulations numériques des technologies de la fabrication additive est encore loin d’être abouti. Ce domaine a besoin d’effort scientifique transdisciplinaire réel et puissant en particulier sur la métallurgie et les méthodes numériques.

Une étude sur le développement d’un modèle numérique dans l’objectif d’établir une méthode d’optimisation des paramètres du procédé de fabrication additive laser sur lit de poudre (SLM) a été présentée par Jordan Rigaud de Liebherr Aerospace dans le cadre de ses travaux de thèse. En réalisant un plan d’expérience de type Doehlert (type quadratique), une combinaison de paramétrie optimisée est obtenue et confrontée à l’expérimental donnant une bonne corrélation dans le cas d’une application AS7G06.

Solutions innovantes  et développement en cours: vers l’hybridation et le couplage des procédés

Guillaume Bidron de Manutech a présenté les travaux réalisés dans le cadre du projet FUI « 3D hybride » regroupant 3 partenaires universitaires (Université Jean Monnet Saint-Etienne, ENIS Saint-Etienne et Mines Saint-Etienne) et 4 partenaires industriels  (Lifco, Ireis, Prismadd et Safran). Ce projet porte sur l’intégration dans une machine hybride d’un laser femto seconde soustractif pour retirer la matière en cours de production en plus de la fonction additive SLM dans le but de s’affranchir des étapes post-traitement.

Cette hybridation permet d’améliorer la rugosité (Ra de 3.5µm Vs 15 à 20µm habituellement obtenu par SLM simple)  et de mieux maîtriser l’aspect dimensionnel grâce au contouring des pièces réalisé par le passage du laser femto seconde. Une amélioration également de l’adhésion cellulaire pour les dispositifs médicaux nécessitant une bio-fonctionnalisation (surfaces ostéointégrables) via une nano-texturation de la surface a été montrée.

L’hybridation additive et soustractive est une solution innovante. La faisabilité est démontrée mais les limites du procédé sont encore fortes. L’enjeu technologique consiste dans l’optimisation des paramètres soustractifs afin de pallier les limites du procédé comme les problèmes de précision et de répétabilité insuffisante par le laser femto seconde et la vitesse de réalisation de cette étape.

Un travail est en cours sur une nouvelle machine dons le but d’adapter une chaine optique de contrôle ; augmenter la vitesse et la précision des scanners et intégrer le monitoring de la machine hybride. 

Après la présentation des différents axes de travail du CETIM sur la reprise et la finition des pièces, Stéphane Guerin a exposé les cinq solutions investiguées et qui sont la finition mécano-chimique, la voie mécanique par Tribo-sablage (Rollwasch), la voie Electrochimique par Hirtisation (Hirtenberger), Electrolytique « en voie sèche » (Dlyte GPA Innova) et Mécanique via la tribofinition par force centrifuge haute vitesse (Ugiden / Rifatec).

La solution Mécano-chimique consiste à projeter sur la pièce 2 flux de jet perpendiculaires comprenant de l’air comprimé, des détergents et des solides en suspension. Cette méthode a été testée sur les pièces SLM du secteur de turbine. Pour un temps de traitement de 50min, la rugosité Ra obtenue est 0,97 à 1,19 μm. Ce moyen, adapté pour plusieurs métallurgies, permet de traiter les formes complexes par les jets et la cinématique multiaxes de la machine, cependant il est peu voir pas adapté pour la finition de canaux et plutôt à réserver à la moyenne série par rapport au réglage machine.

Pour le tribo-sablage, il s’agit de projection de médias (type corindon) par sablage dans un vibrateur circulaire sur une zone de 30°et tribofinition avec média plastique sur les 330° restants. Cette technique entièrement automatique a été utilisée sur un support de vérin en As7G06 et a permis d’obtenir au bout d’une heure un Ra jusqu’à 4 à 5μm, cependant elle n’est pas adaptée à la finition de canaux  et a tendance à légèrement rayonner les pièces

L’hirtisation est un moyen qui combine un procédé électrochimmique pulsé à un flux hydrodynamique chargé de particules associée à un enlèvement chimique. Testé sur des pièces en TA6V SLM, une rugosité Ra de 4,5 à 5,3μm a été obtenue pour un temps de 120min avec la suppression de support. La limite de ce procédés est en particulier la mise au point pour chaque géométrie et matériaux,  peu d’information sur le process et le coût machine important (≈500KE).

La finition par voie électrolytique «en voie sèche » par dissolution ionique de la matière via une mise en mouvement elliptique de la pièce dans une cuve d’électrolyte. L’innovation de cette technique réside dans l’électrolyte «solide» spécifique permettant le transport d’ion dans un environnement à sec (Technologie DLylte®). L’application sur turbine en acier inox 316L a permis une obtention d’une rugosité Ra de 0,6 μm pour un temps de cylce de 100min. Adapté au polissage de forme complexe avec une homogénéisation et réduction de rugosité, ce procédé est limité si Ra de départ est trop élevée et également impact avec la révélation d’ondulation.

Le dernier procédé est la tribofinition par force centrifuge haute vitessse qui est un procédé mécanique abrasif via un mouvement relatif pièces/médias par déplacement satellitaire donnant une pression de contact importante. La mise en œuvre se fait en deux étapes voie humide et voie sèche impliquant un temps de cycle assez important. Une rugosité intéressante de Ra <0,3μm est obtenue sur pièce en acier inox 316L avec un apport d’aspect de brillance.

Toutes ces méthodes prouvent une émergence des solutions pour répondre à la problématique de la reprise de la finition des pièces issues de la fabrication additive et mettant en avant la performance de la combinaison des technologies (mécanique, chimique). En revanche, cette performance en termes de qualité finale de pièce et de temps est fortement dépendante de la rugosité de départ et la qualité due à la structure métallurgique.

Charlie Poulat de Safran Transmission Systems a exposé ces travaux autour de l’impact des traitements thermiques et thermochimiques sur les propriétés mécaniques des pignons en acier 33CrMoV12 issus de la fabrication additive. Les pièces sont fabriquées chez Volum-e (France) avec la machine EOS M290 en partant de la poudre fournie par Aubert & Duval (Espagne) produite par VIGA (Vacuum Induction Gas Atomization with argon). L’importance de la chauffe du plateau à 200°C a été démontrée pour éviter les tapures.  La microstructure cellulaire de pièces brutes de fabrication a été présentée contenant de l’austénite à hauteur de 25%, ce qui n’est pas commun pour les aciers obtenus par voies de fabrication standard, en plus d’une ségrégation des éléments d’alliages due à la solidification rapide. Les résultats en termes des propriétés mécaniques statiques  et l’évolution de la microstructure engendrée après différents chemins de traitement thermiques (incluant trempe, revenu ou double revenu, modes de refroidissement différents) ont été présentés. Les performances en fatigue (High cycle Fatigue) ainsi que les observations des faciès de rupture ont montré le rôle favorable du traitement HIP sur ces pièces. Une corrélation entre la nature des défauts points d’amorce (porosité,  inclusion SiO typique ou oxyde mixte AlSiMnO) et les résultats en fatigue a été établie. Ces travaux mettent en avant l’importance de remonter très amont dans la chaîne de fabrication en particulier la qualité de la poudre qui pilote en grande partie la qualité des pièces FA.

Jawad badreddine de safran additive manufactering a proposé un couplage des procédés LMD (laser melting deposition) et micro-baillage (MG). Cette méthode a été appliquée pour le moment des échantillons en Inconel718. L’enjeu étant de tirer profit de la génération de contrainte de compression dans l’objectif de réduire la texture et taille de grain et obtenir une meilleure finition de la surface post-fabrication. Les premiers résultats sont prometteurs mais le développement et l’amélioration sont en cours.

Matthieu Pachoutinsky de Dassault Aviation et  Marc Thomas de l’Onera ont présenté leurs travaux sur les étriers de virole du cône de nez de l’avion. Ces pièces en TA6V réalisées en EBM (Electron Beam Melting) ont un rôle de renforcement des raidisseurs composites lors de choc à l’oiseau. L’effet du recyclage sur la qualité de la poudre a été évoqué dans un premier temps en montrant les défauts qui apparaissent (tels que la fragmentation, l’agglomération, les particules partiellement fondue et apparition des facettes) mais aussi l’évolution du spectre granulométrique et l’oxydation locale des particules de poudres. Après la mise en évidence de l’importance de supprimer la couche non travaillante des éprouvettes, plusieurs moyens de parachèvement ont été testés : Traitements thermo-mécaniques par compaction isostatique à chaud (CIC) sous et sans pression ainsi que traitement de surface avec le décapage chimique suivi ou non par un polissage mécanique, l’usinage mécanique et  polissage électrochimique. Un comparatif des résultats des essais statique et en fatigue a été présenté en indiquant les limites des méthodes cités ci-dessus. Le développement et la mise au point de ces méthodes sont encore nécessaires pour obtenir des résultats satisfaisants. 

Joffrey Tardelli de IRT M2P a introduit le positionnement de M2P sur la thématique de parachèvement des pièces de fabrication additive via la présentation du projet After ALM. Avec un budget de 5.1ME et une durée de 5ans, ce projet est un consortium de 27 partenaires entre donneurs d’ordre en particulier dans le domaine de l’aéronautique, société spécialisée en FA, partenaires académiques, applicateurs TS et partenaires technologiques. Le projet a pour objectif le développement de procédés pour améliorer l’état de surface de pièces métalliques issues de FA pour plusieurs métallurgies (alliage de titane, base Nickel, acier inox et alliage aluminium). Plusieurs présentations ont suivie exposant chacune les résultats des travaux des différentes technologies : Polissage chimique, Polissage électrochimique, Polissage électrolytique plasma, Tribofinition et Procédés nivelants.

La mise en œuvre de toutes ces technologies a été réalisée sur des éprouvettes de forme simple dans un premier temps afin de maîtriser les aspects d’influence des paramètres opératoires et de comprendre les mécanismes correspondants. La continuité de ces travaux consiste en phase de maturation de ces procédés qui est en cours avec des tests sur des éprouvettes technologiques et également à une échelle plus grande en utilisant des équipements pilotes.

Andre Kindler de la société allemande Wieland Wicoatec a présenté leur activité autour du revêtement CVD fonctionnel pour pièces issues de la fabrication additive et des surfaces internes des pièces de géométrie complexe (protection contre la corrosion, anti-adhérent et agent de liaison). Le revêtement Wicoatec® est  un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) qui consiste à déposer sous vide un film organocéramiques de l’ordre de 100 à 500 nm à partir de précurseurs gazeux. Les avantages de ce revêtement consistent en une résistance plus importante à la corrosion, protection via la prévention de la libération d’ions métalliques et réduction considérable des dépôts sur la surface métallique avec promotion de l’autonettoyage des composants.

Le rôle du gaz dans la chambre de fabrication additive consiste à maintenir la qualité de la fusion en gardant le spot laser propre, en évitant l’oxydation ainsi qu’en limitant l’échauffement des particules. Frederic Thiollier de Linde Gas France a proposé une étude comparant l’efficacité du gaz Argon Vs Hélium dans la chambre de fabrication SLM. Ces travaux mettent en avant les avantages de l’utilisation de l’hélium. Durant la fabrication sous Hélium, le faisceau laser présente une meilleure stabilité avec moins de turbulence, de projection et de diffraction. Une légère amélioration des taux de porosité sur les pièces brut de fabrication et après HIP suivi d’un traitement thermique a été observée. En prenant en compte l’écart de prix conséquent entre Hélium et Argon, l’intérêt technoéconomique reste encore à prouver.

Les contraintes résiduelles après fabrication additive est un aspect important à prendre en compte dans le choix de traitements thermiques ou thermomécaniques à réaliser sur pièces brut. Des travaux sur l’évaluation des contraintes résiduelles et de leur détensionnement ont été discutés par Aurel Germain de Safran Additive Manufacturing. Différentes conditions de traitement ont été réalisées menant à une relaxation faible des contraintes pour les traitements à une température inférieure à 500°C et une relaxation maximale pour les traitements à une température supérieure à 600°C. Les durées de traitements thermiques ont également un effet sur la relaxation de contrainte estimée à 40% de relaxation après 50h de maintien à 370°C. Une étude sur l’effet des vitesses de refroidissement sur la relaxation des contraintes est en cours.

Joël Rech de Enise Saint-Etienne nous a présenté les différents moyens du polissage mécanique. Cette intervention a débuté par une clarification des fondamentaux du polissage expliquant la difficulté et l’aspect multi-échelle des défauts (Forme >10mm, ondulation ≈1mm, rugosité  ≈0.1mm et micro- rugosité <0.01mm). C’est la micro- rugosité qui détermine la brillance des pièces. Le seuil de détection humain de défaut est de l’ordre de 0.7µm. Un comparatif complet entre les différentes technologies de  polissage mécanique (rectification, pierrage, toilage, polissage, tribofinition et extrusion) en termes d’outils utilisés, taille des grains abrasifs, leurs formes, orientations des grains et la mise en mouvement. Ces moyens font appel à des mécanismes fondamentaux tels que le Labourage, le micro-usinage et la déformation plastique. Le choix du bon moyen de polissage n’est pas si simple et doit répondre aux problèmes multi-échelle et multi-physique conjuguant productivité, contraintes liées à la complexité des surfaces et la finition des surfaces demandée.

Les enjeux de la finition et de la fonctionnalisation des surfaces des pièces issues de la  fabrication additive sont cruciaux pour de nombreux secteurs industriels (aéronautique, automobile, énergie, médical, etc.). La difficulté est amenée par les contraintes propres à la diversité des procédés de Fabrication additive. De nombreuses nouvelles solutions techniques de parachèvement à forte valeur ajoutée sont en cours de développement et le challenge est d’identifier et adapter ces procédés à chaque cas d’usage tout en gardant un temps de réalisation et un coût acceptables.

Pour plus d’informations sur le sujet, n’hésitez pas à contacter Wafa Elmay, Ingénieure de projet Métallurgie chez CTIF.