Les alliages d’aluminium nanostructurés

Introduction

Les alliages nanostructurés présentent une structure à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire une taille de grain inférieure à 1 μm, généralement de l’ordre de 100 à 500 nm pour les alliages d’aluminium. Pour comparaison, la taille de grain classique sur les alliages corroyés est de l’ordre de 10 à 100 μm.

En comparaison aux alliages d’aluminium obtenus par des procédés « classiques », ces alliages présentent des caractéristiques mécaniques améliorées, une dureté plus élevée qui permet une meilleure résistance à l’abrasion, leur fine microstructure permet l’obtention d’un très bon aspect de surface après polissage et leur conductivité thermique est améliorée.

Procédés d’obtention

Les procédés d’obtention par dépôt

• La condensation sous gaz inerte : le métal évaporé dans un récipient rempli d’un gaz inerte se condense sous forme de fines particules, qui sont ensuite agglomérées et compactées.
• La réalisation de dépôts électrolytiques.

Les procédés requérant une déformation plastique intense ou SPD (Severe Plastic Deformation)

Le but est d’appliquer un taux de déformation supérieur à 100 {1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} sur le matériau en évitant que les dimensions macroscopiques des pièces ne soient affectées.

Les procédés les plus utilisés sont :

• L’ECAP (Equal Channel Angular Pressing), qui est un procédé dérivé du filage.
• Le HPT (High Pressure Torsion) : Le procédé consiste à placer un échantillon sous forme de disque entre deux enclumes. Une pression de 1 à 10 GPa et une torsion sont appliquées sur l’échantillon. Des taux de déformation très élevés peuvent être appliqués (typiquement 10⁵ {1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}), mais le cisaillement n’est pas homogène dans tout l’échantillon et il n’est pas possible de produire des pièces massives.

Schémas des procédés ECAP (à gauche) et HPT (à droite)

Les autres procédés de SPD sont l’ACD (Accumulative Cold Drawing) dérivé du tréfilage, L’ARB (Accumulative Roll Bonding), le CCB (Continuous Cyclic Bending) et le CGP (Constrained Groove Pressing) qui sont des procédés dérivés du laminage et la trituration.

Les procédés basés sur un refroidissement rapide du matériau ou RSP (Rapid Solidification Process)

Les vitesses de refroidissement sont généralement supérieures ou égales à 10⁶ °C/s.

• L’atomisation : les procédés d’atomisation sous gaz/eau sont les plus courants et permettent l’obtention de particules de poudre de dimension micrométrique.
• La fusion laser sur lit de poudre permet également d’obtenir des alliages nanostructurés sur des alliages à composition chimique particulière, tel que le Scalmalloy.
• Le « Melt-spinning » : un filet vertical d’aluminium en fusion est versé sur une roue en cuivre tournant à une vitesse élevée. L’aluminium refroidit de manière quasi-instantanée formant ainsi un ruban continu. Le ruban ainsi créé est découpé en flocons qui sont ensuite compactés en profilés et barres.

Schéma du procédé de melt spinning

Mécanismes de durcissement des grains et microstructure

La fine taille des grains au sein des matériaux nanostructurés engendre une densité de joins de grains élevée. Ainsi lorsque le matériau est sollicité mécaniquement, le déplacement des dislocations est d’autant plus gêné et de ce fait, les valeurs de résistance mécanique, limite élastique et dureté sont d’autant plus importantes. La ductilité des alliages d’aluminium nanostructurés est faible de par la difficulté de mouvement des dislocations, ce qui engendre de faibles valeurs d’allongement à la rupture. La fine structure du matériau modifie également les caractéristiques mécaniques dynamiques du matériau en augmentant la résistance à l’amorçage mais en dégradant la résistance à la propagation des fissures.

Les procédés RSP permettent d’obtenir une nano-structuration par l’introduction de multiples dislocations au sein des grains. Celles-ci s’organisent sous forme de cellules faiblement désorientées et au fur et à mesure que la déformation augmente, leur désorientation s’accroit, si bien que leurs parois s’apparentent à des joins de grains.

Dans le cas du procédé « melt-spinning » la solidification rapide de l’alliage augmente la solubilité des éléments d’alliage dans la matrice d’aluminium ce qui engendre une microstructure fine et homogène.

Clichés réalisés au microscope électronique à balayage de la microstructure d’un alliage d’aluminium fabriqué par RSP (à gauche) par fonderie (à droite)

Les alliages disponibles et l’approvisionnement

RSP Technology utilise le procédé de « melt-spinning » et peut approvisionner sous forme de rubans, flocons, billettes, bloom, profilés, et à la demande sous forme de bruts de forge et de pièces usinées. Certains alliages tels que l’AlSi40 et l’AlSi50 ne peuvent être obtenus que par ce procédé.

La plupart des alliages d’aluminium existants peuvent être mis en œuvre par les procédés de SPD. La production d’alliages d’aluminium nanostructurés sous forme de tôles et billettes semble la plus prometteuse pour des applications industrielles, malgré le coût de production élevé.

Caractéristiques physiques et mécaniques des alliages d’aluminium fabriqués par Melt-spinning, commercialisés par la société RSP Technology :

Propriétés mécaniques obtenues pour quelques alliages mis en oeuvre par HPT, ECAP et ARB et par des procédés de mise en oeuvre classiques :

Domaines d’applications principaux et réalisations

• Course automobile et R&D pour l’industrie automobile : les alliages chargés en silicium présentent un intérêt pour la réalisation de pistons et de divers éléments moteur, et permettent de fonctionner à des températures élevées. Les alliages à hautes caractéristiques mécaniques à température ambiante peuvent être utilisés comme agrafes et pièces de châssis.
• Composants optiques et moules : la finesse de la microstructure permet d’obtenir un meilleur état de surface qu’un alliage d’aluminium obtenu par un procédé « classique ».
• Aéronautique et défense, industrie du sport et médical : les intérêts de ces alliages sont leur bonnes caractéristiques mécaniques et leur faible densité. Typiquement, Airbus et RSP Technology ont investigué la fabrication de profilés en Scalmalloy pour les raisons précédentes, pour des applications de fabrication de raidisseurs.
• Electronique : une application développée par Honeywell Electronic Materials concerne la fabrication de cibles par procédé ECAP pour pulvérisation cathodique.

Conclusion

Malgré tous les avantages des alliages d’aluminium nanostructurés, il est nécessaire de mieux comprendre la relation entre les mécanismes de durcissement et la microstructure pour trouver un bon compromis entre leurs caractéristiques mécaniques et leur ductilité, qui reste un point faible, pour tirer parti au mieux de leur potentiel.

A l’heure actuelle, peu d’entreprises mettent en œuvre ce type d’alliages de manière industrielle et la production reste cantonnée à de faibles volumes, avec un certain nombre d’étapes intermédiaires et des coûts de production élevés. L’approvisionnement de ces matériaux est donc difficile et ceux-ci sont actuellement dédiés à des utilisations de niche pour des applications de haute technologie, à forte valeur ajoutée.

Voici un lien vers la note de veille Cetim où vous pourrez trouver des informations plus complètes :

https://www.cetim.fr/mecatheque/Mecatheque/Veille-technologique/Note-de-Veille-alliages-d-aluminium-nanostructures

Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ?

Le congrès 3D Print & Exhibition vient de fermer ses portes à Lyon, à cette occasion les visiteurs ont pu déambuler dans les allées du plus gros congrès français dédié à la fabrication additive. L’occasion idéale de rappeler les spécificités du procédé avant que ces professionnels de l’Industrie ne succombent les yeux fermés aux sirènes de la fabrication additive. Parmi les particularités de ces procédés qui représentent à coup sûr le futur de notre industrie on retrouve la nécessité d’adapter des traitements thermiques aux pièces issues de ces nouvelles méthodes de fabrication.

Aujourd’hui, il est en effet largement admis que la majorité des procédés de mise en forme de matériaux métalliques implique l’utilisation de traitements thermiques pour répondre à la multitude de problématiques qu’ils génèrent. En effet il est parfois nécessaire de réaliser une relaxation des contraintes résiduelles après la mise en forme (détensionnement), de réduire (voir d’éliminer) l’anisotropie de la structure des grains ainsi que celle des caractéristiques mécaniques ou encore de durcir la matière par précipitation structurale. Sans parler du compromis à faire entre les valeurs de résistance mécanique (Rm), de limite élastique (Rp0.2) et d’allongement à la rupture (A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}).

On retrouve ces mêmes problématiques dans le cadre de la fusion laser sur lit de poudre. De manière générale, tous les procédés de fabrication additive métallique sont concernés. Cependant ces derniers donnent naissance à des structures métallurgiques différentes de celles des procédés de mise en forme « classiques » comme l’usinage et la fonderie. Cet élément est à prendre en compte puisqu’il implique une adaptation des traitements thermiques.

Des structures métallurgiques différentes qui impliquent une adaptation des traitements thermiques

Les alliages d’aluminium les plus utilisés en fusion laser sur lit de poudre proviennent de la famille 40000. Cette famille contient des alliages tels que l’AlSi12, l’AlSi10Mg, l’AlSi7Mg0.6 ou encore l’Alsi9Cu3. Ceux-ci contiennent une faible quantité de magnésium qui, couplé avec le silicium en excès, permettent un durcissement structural grâce à un traitement thermique adapté. Or c’est là que réside le cœur de la problématique, l’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser.

Les pièces obtenues par fusion laser présentent en effet des structures métallurgiques particulières qui leur offrent des caractéristiques mécaniques généralement plus élevées que celles des produits issus de coulée. Cela s’explique par des tailles de grains et de dendrites qui sont plus fines, par un niveau de précipitation structurale différent et par un refroidissement très rapide qui donne naissance à une solution solide d’aluminium sursaturée. De plus, la température du plateau de fabrication et la stratégie de fabrication employée ont également des effets non négligeables sur la structure métallurgique, sur les contraintes résiduelles et sur les caractéristiques mécaniques des pièces brutes de fusion.

La connaissance et la compréhension de toutes ces spécificités apportent de nouvelles données qui permettent la mise au point de gammes de traitements thermiques efficientes comme c’est d’ores et déjà le cas pour les pièces issues de coulée. En effet, tous les alliages de la famille 40000 sont mis en œuvre par coulée grâce à des procédés de fabrication qui sont largement utilisés et maîtrisés. Si bien qu’il existe plusieurs gammes de traitements thermiques qui permettent de choisir différents compromis de caractéristiques mécaniques en vue d’une utilisation particulière. Or dans le cadre des procédés de fabrication novateurs comme le sont ceux de la fabrication additive métallique, le niveau de connaissance n’avait jusqu’alors pas permis d’élaborer de telles gammes de traitements thermiques. Les choses changent et petit à petit les traitements thermiques sont adaptés aux spécificités métallurgiques des pièces obtenues par fusion laser sur lit de poudre, avec en ligne de mire l’application visée.

Les traitements thermiques ou l’art du compromis

Dans l’état brut de fusion, les caractéristiques mécaniques élevées sont dues en partie à la finesse de la structure, or le recours à un traitement thermique génère un grossissement de celle-ci, ce qui occasionne donc une baisse des caractéristiques mécaniques. De plus l’utilisation d’un traitement thermique peut avoir pour effet de durcir le matériau par précipitation structurale. L’intérêt est donc de trouver un compromis entre la finesse de la microstructure et la taille/le nombre de précipités au sein du matériau pour obtenir des propriétés mécaniques optimales.

De manière générale et comme pour les autres procédés de fabrication de pièces métalliques, il est possible d’effectuer une étude qui déterminera quel est le traitement qui offre le compromis adéquat pour l’application visée en jouant sur les valeurs de Rm, de Rp0,2, d’A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}, sur l’anisotropie des caractéristiques mécaniques et sur la détente des contraintes résiduelles.

L’exemple du traitement T6

Le traitement T6 (mise en solution, trempe et revenu) est généralement pratiqué sur les alliages de la famille 40 000. L’étape de mise en solution permet, comme son nom l’indique, de mettre en solution les éléments d’alliages. Le refroidissement rapide lors de la trempe maintient la solution solide en sursaturation tandis que le revenu occasionne un durcissement structural homogène par précipitation des éléments d’alliages en sursaturation.

Ce traitement doit être utilisé avec précaution sur des pièces issues de fusion laser sur lit de poudre puisqu’il ne produit pas systématiquement une amélioration des caractéristiques mécaniques. En effet pour l’AlSi10Mg, la dureté du matériau est plus faible suite à un T6 en comparaison avec l’état brut de fusion. On constate également la présence de polyèdres de silicium suite à la mise en solution. Ces polyèdres ont une influence sur les caractéristiques mécanique de l’alliage. Chose impossible lorsque la pièce est obtenue avec les procédés de fabrication traditionnels puisque l’on ne constate pas la présence de ces polyèdres de silicium à la suite à la mise en solution.

Le cas du traitement T6 n’est pas unique et il démontre l’importance de ne pas appliquer machinalement les traitements thermiques « standards » sans compréhension de leurs influences sur la métallurgie et sans étude préalable. Par « standards » on fait référence aux traitements thermiques utilisés sur les matériaux mis en œuvre avec les procédés de fabrication traditionnels.

Observation au microscope électronique à balayage de polyèdres de silicium

Les traitements thermiques des fabricants de machines

Les traitements thermiques proposés par les fabricants de machine concernent le détensionnement (300°C – 2H chez SLM, EOS, Renishaw, 240°C – 6H chez Concept Laser) de la matière. L’objectif est bien entendu de limiter les déformations résiduelles des pièces suite à leur découpe du plateau de fabrication. Toutefois, pour les alliages d’aluminium en plus de la réduction des contraintes résiduelles, les détensionnements proposés réduisent l’anisotropie des caractéristiques mécaniques, diminuent les valeurs de Rm, de Rp0,2 et augmentent la valeur d’A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}. Cela ne fait que confirmer l’importance d’étudier au cas par cas les traitements thermiques afin de soumettre les pièces obtenues par fabrication additive à des traitements adaptés.

La stratégie de MECABESS pour l’Industrie du futur

Jean-Michel Sanchez, le dirigeant de la société MECABESS, témoigne dans une vidéo réalisée à l’occasion de la journée Industrie du futur de l’importance de la fabrication additive métallique pour l’avenir de son entreprise.

Actuellement, MECABESS se sert de la fusion laser sur lit de poudre -le procédé de fabrication additive utilisé dans le programme SUPCHAD- pour tester le texturing, la conception de pièces creuses et celle de canalisations coudées. L’entreprise compte ainsi étendre son champs d’action après s’être fait connaître comme spécialiste de l’usinage, du tournage et du fraisage. À terme, J-M Sanchez espère pouvoir proposer à ses clients des produits que ces derniers ne pouvaient pas sous-traiter ni produire eux-même avant. Cet objectif est important pour le dirigeant puisque lors de l’inauguration du programme SUPCHAD, il avait déjà déclaré vouloir « aller beaucoup plus en amont » avec ses clients.

Dans cette interview, Jean-Michel Sanchez témoigne de la capacité de la fabrication additive à libérer la créativité des designers. Il évoque également la complexité des pièces, leurs coûts de revient et comment grâce à tout cela il espère guider son entreprise vers l’industrie du futur.

L’écrouissage critique des alliages d’aluminium

Durcissement des alliages d’aluminium

Les durcissements par écrouissage ou structural permettent une augmentation des caractéristiques mécaniques des alliages : résistance à la traction (Rm), limite d’élasticité (Rp0,2{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}) et dureté. Il s’accompagne d’une diminution de l’allongement (A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}) entraînant une perte de ductilité de l’alliage. Le choix entre durcissement par écrouissage et durcissement structural s’effectue en fonction de la famille d’alliages d’aluminium à traiter.

Le durcissement dit « structural » est obtenu grâce à la formation par précipitation d’une multitude de composés chimiques à l’issue d’une gamme de traitements thermiques. Lors de l’application d’une contrainte mécanique, la présence de ces précipités gêne la déformation plastique entraînant ainsi l’augmentation des caractéristiques mécaniques.

Ce mode concerne 3 familles (ou séries) d’alliage : Aluminium-Cuivre (série 2000), Aluminium-Magnésium-Silicium (série 6000) et Aluminium-Magnésium-Zinc (série 7000).

Le Durcissement par écrouissage

L’écrouissage est l’évolution des propriétés et de la microstructure d’un matériau cristallin lorsque sa structure interne subit une déformation plastique. Il en résulte un durcissement par la multiplication de défauts dans la maille cristalline (dislocations). Les procédés de déformation à froid comme le laminage, l’étirage, le tréfilage, ou des mises en œuvre par pliage ou chaudronnage produisent ce type de durcissement.

L’écrouissage de l’aluminium apporte une déformation de la matrice, qui stocke une petite partie de l’énergie (entre 2{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} et 10{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}), sous forme de défauts de maille. La densité et la distribution de ces défauts forment une sous-structure cellulaire et entrainent des hétérogénéités plus importantes dans la distribution des mailles défectueuses, appelées « bandes de déformation » et formant des emplacements privilégiés pour initier une recristallisation.

Traitement thermique après écrouissage : Le recuit

Lors de la mise en forme par déformation plastique d’une pièce en alliage d’aluminium, l’écrouissage généré entraîne une perte de ductilité de l’alliage. Afin de poursuivre la mise en forme sans décohésion du métal, il convient de restaurer un certain niveau de plasticité, opération obtenue grâce au recuit. On distingue deux types de recuits :

• le recuit de restauration : il présente une macrographie dans laquelle le motif et l’orientation des grains sont en grande partie conservés par rapport à l’état écroui. L’adoucissement des propriétés est assez peu marqué, le grossissement des grains est très faible voire inexistant. Les recuits de restauration correspondent à un perfectionnement du réseau du métal écroui.
• le recuit de recristallisation : Ce recuit à très haute température se caractérise par l’apparition progressive de nouveaux cristaux orientés différemment de ceux du motif d’écrouissage. C’est au cours de ce recuit de recristallisation que peuvent apparaître de gros grains. L’adoucissement est très marqué. Sur les alliages écrouis, l’adoucissement par recristallisation augmente avec le taux d’écrouissage avant recuit. La température de recuit nécessaire pour un adoucissement identique est d’autant plus basse que le taux d’écrouissage est élevé. Un taux d’écrouissage minimal du produit est nécessaire pour éviter un grossissement anormal du grain lors des recuits de recristallisation.

L’écrouissage critique

Pour chaque alliage, il existe une zone d’écrouissage pour laquelle le recuit risque d’entraîner un grossissement exagéré du grain défavorable pour la mise en forme et générant une altération de l’aspect de la pièce. La surface du métal après déformation peut prendre alors l’aspect inesthétique de « peau d’orange ». On définit donc la limite d’écrouissage critique inférieur (début de la zone d’écrouissage critique) et la limite d’écrouissage critique supérieur (fin de la zone d’écrouissage critique).

Lors d’un recuit, la grosseur moyenne du grain de recristallisation pour un alliage donné varie en sens inverse de l’écrouissage qui a précédé le recuit. On qualifie d’écrouissage « critique » le taux d’écrouissage pour lequel la recristallisation est rendue possible (aux conditions de recuit données). Le grain obtenu pour un écrouissage à ce taux précis est alors nommé « grain critique ».

Cette zone d’écrouissage critique est unique pour chaque matériau et dépend de nombreux facteurs: conditions de recuit, hérédité du matériau (nombre d’écrouissage/recuit subis) … Les limites d’écrouissage critique sont d’autant plus faibles que la température de recuit est élevée, à l’inverse, la grosseur du grain critique est d’autant plus importante que la température de recuit est élevée. En résumé, plus les limites sont faibles, plus la grosseur du grain critique est importante.

Études illustrant le phénomène d’écrouissage critique

Résultats des essais

La faible plasticité de l’alliage 2017A à l’état T4 n’a pas permis d’atteindre un taux d’écrouissage suffisant pour observer le grain de recristallisation critique. Afin de bénéficier du maximum de plasticité de chaque alliage, les alliages 2017A et 6061 ont été préalablement recuits avant la campagne d’essais d’écrouissage et de recuit.

• Avec les paramètres d’essais pratiqués, aucune recristallisation n’a pu être obtenue pour l’alliage 2017A, ceci est dû en partie à la présence d’inhibiteurs de grossissement de grains et de recristallisation (fer, chrome, manganèse) dans cet alliage.
• Pour les alliages 5083 et 6061, le taux d’écrouissage critique a été respectivement atteint pour 11{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} et 13{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}. Il y a eu recristallisation et formation de grains critiques de grande taille.

Alliage 5083 : résultats des clichés micrographiques

Alliage 6061 : résultats des clichés micrographiques

Auteur de l’article : Hervé Gransac
Tèl. : 02 38 69 79 54

Échanger avec l’auteur

Tout savoir sur la fusion laser sur lit de poudre métallique

La fusion laser sur lit de poudre est un procédé de fabrication additive métallique qui consiste à créer une pièce couche par couche grâce à la fusion des particules de poudre via un faisceau laser. Le cadre normatif de cette technologie, également connue sous le nom de Selective Laser Melting (SLM), est en cours de construction au niveau mondial. La fusion laser sur lit de poudre rend possible la fabrication de pièces aux géométries irréalisables avec les procédés conventionnels. On parle de fabrication directe lorsqu’elle est utilisée comme moyen de fabrication de petites et moyennes séries car elle ne nécessite ni outil ni programmation.

Après plus d’une décennie d’existence commerciale, les utilisateurs de ce procédé sont les entreprises des secteurs Aéronautique et Aérospatiale, de l’Armement,  Outillage, Médical, et de l’Automobile de compétition voir de Luxe. Le secteur de la bijouterie utilise également la fusion laser sur lit de poudre car elle permet la mise en oeuvre de matériaux précieux tels que l’or ou le platine.

Processus de fabrication & chaîne numérique de la fusion laser sur lit poudre

Processus de fabrication

Le processus de fabrication via le procédé de fusion laser sur lit de poudre est réalisé dans une enceinte sous gaz neutre. Il peut être décrit en 4 étapes clés :

Une fois la poudre stockée dans le réservoir d’approvisionnement, le piston s’élève de la hauteur d’une épaisseur de couche.

Un système de mise en couche vient ensuite étaler cette épaisseur de poudre dans le bac d’impression. C’est le lit de poudre.

Si la mise en couche est valide, le laser donne naissance à la première section de l’objet par création de micro-cordons les uns à coté des autres issus de la  fusion des particules de poudres se trouvant sur sa trajectoire. Si la couche formée n’est pas uniforme, une deuxième mise en couche est effectuée pour combler les manques avant le passage du laser.

Pour finir, le bac d’impression s’abaisse légèrement (de l’épaisseur d’une couche de poudre) et l’opération recommence. De cette manière, les particules vont fusionner strate par strate jusqu’à l’obtention de la pièce finie.

Les spécificités de la fusion laser sur lit de poudre

Les poudres

Les poudres utilisées en fusion laser sur lit de poudre doivent présenter des granulométries fines et une répartition de type gaussienne. La morphologie des particules doit être la plus sphérique possible de manière à assurer une bonne coulabilité. Actuellement, la majorité des poudres mises en oeuvre par fusion laser sont élaborées par atomisation sous gaz neutre. Cela permet d’obtenir des poudres sphériques de granulométrie comprise entre 1 et 100 microns.

L’épaisseur de couche est un paramètre influent car elle détermine la durée de la fabrication et l’ampleur de l’effet d’escalier visible sur la pièce avant finition. Cette épaisseur de couche est à choisir lors du découpage du fichier STL. Plus l’épaisseur de couche est importante, plus la fabrication est rapide.

Les supports de fabrication & la construction

Lors d’une fabrication réalisée par fusion laser sur lit de poudre, il existe des retraits de matière. Ce phénomène s’explique par le passage de la matière de l’état amorphe à l’état cristallin lors de la solidification ainsi que par la rétractation du réseau cristallin lors du refroidissement. Les supports de fabrication servent à contrecarrer les déformations causées par ces retraits en jouant le rôle de brides entre les pièces et le plateau de fabrication. Ils doivent donc être suffisamment nombreux et robustes pour compenser les contraintes mécaniques engendrées par cette différence de température.

Si ce n’est pas le cas, les contraintes générées lors de l’empilement successif des strates provoquent des déformations voir le décrochement des pièces du plateau ce qui a pour effet de faire crasher la fabrication. Outre leur rôle de bride, les supports de fabrication jouent également le rôle d’éléments porteurs durant certaines fabrications. Dès la conception, ils doivent être prévus pour être retirés avec des moyens conventionnels une fois l’impression terminée. Les supports de fabrication permettent également l’évacuation de la chaleur (conduction thermique) générée lors du passage du laser pour éviter un brûlage du matériau.

Comme tout procédé de fabrication, la fusion laser sur lit de poudre nécessite l’élaboration d’une stratégie de fabrication. Les plus utilisées sont la stratégie en bande et en damier avec un croisement entre les couches. Le choix de la stratégie de fabrication à adopter est tout aussi important que les paramètres de fabrication car ils conditionnent les propriétés finales de la pièce.

D’autre part, la température et la présence d’un gaz protecteur au sein de l’enceinte de fabrication doivent être contrôlés pour garantir le bon déroulement d’une fabrication. Le choix de ce gaz protecteur dépend quant à lui du matériau utilisé.

Les post-traitements

Une fois l’étape de construction par fusion laser sur lit de poudre terminée, la pièce n’est pas encore exploitable. Les supports de fabrication relient toujours la pièce au plateau, l’état métallurgique de l’objet, son état de surface et ses dimensions ne sont pas forcément en adéquation avec les caractéristiques attendues dans le cahier des charges. Les étapes de post-traitements sont donc nécessaires (grenaillage, détensionnement, traitements thermiques, compression isostatique à chaud, découpe des pièces du plateau …)

Lancement de SUPCHAD 2

SUPCHAD, l’aventure continue

FLASHBACK : l’inauguration de SUPCHAD

La fabrication additive : un procédé incontournable à l’avenir

La fabrication additive est une famille de procédés de fabrication souvent présentée comme une révolution industrielle. Cela peut s’expliquer par les capacités uniques de ces procédés et par les nouvelles possibilités qu’ils offrent aux industriels. Des possibilités qui, jusque là, étaient alors inenvisageables avec les procédés de fabrication traditionnels. La fabrication additive est tellement différente que le Ministère de l’Économie, de l’Industrie et du Numérique a déclaré dans son 34ème plan industriel que la fabrication additive sera incontournable dans l’industrie du futur.

Pour les industriels, le constat reste le même. La fabrication additive représente bel et bien l’avenir de l’Industrie. Dans la région Centre-Val de Loire (région qui compte de nombreux donneurs d’ordres et sous-traitants), la fabrication additive offre un potentiel d’innovation stratégique. Au vu des possibilités de ces procédés novateurs, il est naturel de penser qu’ils profiteront aux entreprises de la région et ce quelque soit les filières et les métiers (aéronautique, défense, médical, fabricants d’outillage, fondeurs, moulistes …). S’il ne fait aucun doute que la fabrication additive représente l’avenir, de nombreux industriels s’interrogent encore sur cette technologie, sur son marché réel à terme et sur l’investissement matériel et humain à effectuer pour permettre son exploitation.

Afin de répondre à ces questions, le programme SUPCHAD a été lancé. Inauguré le 27 avril 2016, SUPCHAD est le fruit d’une synergie entre les industriels, les organismes de développement technologique et les institutions (communauté de commune, Région, État & Europe). Il doit permettre aux industriels de profiter de notre expertise en matière de fabrication additive, d’un programme de R&D et de montée en compétences. Plus encore, de nombreux moyens technologiques ont été mis à la disposition des entreprises du consortium parmi lesquels on retrouve une machine de fusion laser sur lit de poudre.

Ils l’ont dit lors de l’inauguration de SUPCHAD

« Repenser le design pour ne mettre de la matière que là où cela est nécessaire car ce que nous recherchons, ce sont des pièces avionables. SUPCHAD nous permet d’accélérer la technologie«    Pierre ALVAREZ

« L’intérêt de ce groupe de travail est de mixer des PME et des entreprises internationales, d’être à la pointe de cette technologie afin de nous projeter commercialement.«    Frédéric DEZON & Laurent DEBRAIX

« Seuls, on ne pourrait pas se payer ce genre d’outil et acquérir les compétences nécessaires. La fabrication additive et le programme SUPCHAD peuvent nous permettre de reconquérir un territoire que l’industrie française a parfois un peu perdu. »   Thierry RAYMOND

« Nos plateformes Orthopée et Supchad se complètent«    Gilles ALLORY

« Quantifier le potentiel de cette technologie, (…) appréhender les paramètres clés, (…) se positionner sur le make or buy (…) et amener le procédé à maturité »   Didier HABERT

« On est au tout début, c’est maintenant qu’il faut commencer à se lancer, à comprendre la technologie. On peut faire des choses ensemble«    Philippe DUCHEMIN

« SUPCHAD nous permet d’aller beaucoup plus en amont avec nos clients, le tout avec une approche purement industrialisation«    Jean-Michel SANCHEZ

Le fruit d’une stratégie de développement régional   Les fonds européens FEDER, le Conseil régional Centre-Val de Loire, le Conseil Départemental du Cher et Bourges Plus ont contribué au financement de la plateforme SUPCHAD.   SUPCHAD dans le détail

La coordination en soudage

Face aux évolutions normatives et aux demandes croissante des donneurs d’ordre, formaliser le management de la qualité en soudage est devenu un avantage concurrentiel incontournable.

Le soudage : un procédé spécial

Le soudage est un procédé spécial de fabrication. La conformité aux exigences des produits fournis ne peut pas être contrôlée à 100 {1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} en routine. Pour valider un procédé spécial il faut donc démontrer qu’il fournit de façon répétable, reproductible, et efficace, un produit conforme. Les différentes étapes de validation sont définies et documentées dans un système de management par la qualité.

Exigences de la norme de base en soudage : NF EN ISO 3834

La norme NF EN ISO 3834 Exigences de qualité en soudage par fusion des matériaux métalliques, base des normes sectorielles telles que prévoit dans ses parties 2 et 3, respectivement exigences de qualité complète et normale, une rubrique relative à la coordination en soudage.

L’EN ISO 14731 : Norme de référence Coordination en soudage, Tâches et responsabilités

Pour obtenir la confiance de ses Clients lors de la fabrication de composants et ensembles mécanosoudés ainsi que la fiabilité du comportement en service des pièces livrées, un fabricant ou constructeur a intérêt à mettre en place une coordination en soudage. Cette dernière consiste à coordonner les opérations de fabrication pour toutes les activités de soudage ou celles liées au soudage. L’industriel va désigner un ou plusieurs coordinateurs en soudage. Responsable ou suppléantes, ces personnes doivent assurer la mission de coordination en soudage. En imager, ces personnes ont un rôle de chef d’orchestre des activités de soudage. Les tâches et responsabilités, relatives à la qualité, du personnel impliqué dans les activités liées au soudage doivent être clairement définies et attribuées. Les coordinateurs en soudage doivent être
compétents pour assurer leurs missions.
En fonction de la nature et/ou de la complexité de la fabrication les coordinateurs seront choisis dans l’un des groupes suivants :

1. Personnel possédant des connaissances techniques complètes, par exemple International Welding Engineer (IWE)
2. Personnel possédant des connaissances techniques spécifiques, par exemple International Welding technologist (IWT)
3. Personnel possédant des connaissances technique de base, par exemple International Welding Specialist (IWS)

Suivant le cas, les coordinateurs peuvent être diplômés, certifiés ou habilités. Concernant les activités principales listées ci-dessous, les coordinateurs en soudage doivent s’acquitter de tâches et responsabilités telles que :

• Spécification et préparation,
• Gestion,
• Contrôle, vérification ou surveillance.

Déformation en soudage : maîtrise & correction

La déformation en soudage est un phénomène complexe et inévitable qui peut avoir des conséquences économiques importantes durant la production de composants, d’ensembles et d’ouvrages mécano-soudés. En effet, si elles ne sont ni anticipées ni maîtrisées, ces déformations engendrent des coûts de fabrication qui deviennent très vite trop importants.

Afin d’optimiser la rentabilité de leurs opérations de soudage, les industriels qui utilisent ce procédé de fabrication doivent connaitre et comprendre ces phénomènes ainsi que les moyens de les corriger.

Les phénomènes de déformation en soudage

Les déformations sont des phénomènes physiques qui manifestent de la présence de tensions internes importantes. Ces dernières résultent d’une expansion et d’une contraction non uniformes de la zone soudée lors du cycle de soudage. Autrement dit, c’est la différence de dilatation entre le métal chaud et froid qui provoque un retrait, lequel est également appelé dilatation négative. À noter que ce retrait est proportionnel au coefficient de dilatation du matériau avec lequel le composant est fabriqué. C’est à dire que plus le coefficient est grand, comme c’est le cas pour les aciers austénitiques par exemple, plus le retrait et donc la déformation seront importants.

Les effets du retrait longitudinal

Le retrait longitudinal est un raccourcissement de la zone soudée suivant une direction parallèle à celle du cordon de soudure. Il témoigne de la présence de contractions maximales au milieu du joint et minimales à ses extrémités. Il est important de savoir que les contractions du métal d’apport priment sur le reste des contraintes ce qui a pour effet de faire fléchir la construction soudée sur sa longueur. Les effets de cintrage et de flambage sont les manifestations d’un retrait longitudinal. S’ils sont trop importants les risques de fissures deviennent réels.

Agenda