Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire de gestion et procédés de production LGPP)

Modélisation quantitative du procédé de frittage sélectif par laser : relation paramètres/microstructure

André, Cédric ; Glardon, Rémy (Dir.) ; Boillat, Eric (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3716.

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    Summary
    The Direct Metal Laser Sintering process (DMLS) is a Rapid Manufacturing (RM) technique. A 3D object is built layer by layer through laser consolidation of metallic powders. Several industrial DMLS stations are commercialised. The current performances of the parts manufactured by this process remain insufficient. Hybrid processes were developed. The DMLS process is then coupled to other technologies in order to post-process DMLS parts. The quality of the parts is improved but the post-processing stage slows down the manufacture. The main goal of this Ph.D. work was to increase the understanding of this laser manufacturing process in order to be able to make DMLS parts that could be used without post-processing. The powder used in this work is a 316L grade Stainless Steel powder. Particles are spherical and have a diameter between 11 and 45 µm. The powder has a good flowability, leading to good powder layer quality after deposition (before laser consolidation). Many monolayer samples were built, using more than seventy sets of process parameters. For each set of parameter, a specific microstructure is obtained. A microstructural index η was defined. The index is an adimensional number between 0 and 1 and represents the degree of sintering (η is close to 0 if the sintering process just began, η tends towards 1 if the sample's density is close to full density). This index allows us to characterize quantitatively the microstructure of all the parts we built. Three key parameters were identified : the pulse duration τP, the energy density of the laser Eρ and the powder bed density ρlit. Thanks to the relation η = η(τP, Eρ, ρlit) established, we estimate quantitatively that Eρ is the process parameter which has the largest influence. Qualitatively we developed phenomenological models predicting locally that the microstructure of a monolayer is becoming finer if the pulse duration as well as the powder bed density increase and if the energy density of the laser decreases.
    Résumé
    Le procédé de frittage laser direct de poudres métalliques (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) est un procédé de fabrication rapide d'objets tridimensionnels. Les objets sont construits couche par couche, par consolidation laser de poudres métalliques. Plusieurs dispositifs industriels sont actuellement commercialisés. Toutefois, les performances actuelles des pièces fabriquées par ce procédé restent insuffisantes. Des procédés hybrides ont été développés, combinant le procédé DMLS à d'autres techniques. Après post-traitement les pièces ont des propriétés satisfaisantes mais la vitesse de fabrication diminue. L'objectif de ce travail de thèse était donc de développer des outils (procédures expérimentales, méthodologies, indicateurs) permettant d'améliorer le contrôle du procédé de sorte que les pièces fabriquées par consolidation laser puissent être utilisées sans post-traitement. La poudre étudiée dans ce travail est une poudre d'acier inoxydable type 316L. Les particules sont sphériques et de diamètres compris entre 11 et 45 µm. La poudre présente une bonne coulabilité, ce qui permet de garantir une bonne qualité des couches déposées (avant consolidation par laser). De très nombreux échantillons monocouches ont été fabriqués en lit de poudre (plus de septante combinaisons de paramètres différentes). À chaque combinaison de paramètres correspond une microstructure particulière. L'objectif était alors de déterminer une relation entre les paramètres appliqués et la microstructure obtenue. Pour cela, nous avons défini un indice microstructural η nous permettant de caractériser la microstructure des monocouches de manière quantitative. Cet indice est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1 qui représente l'avancement du frittage (début de frittage lorsque η est proche de 0, densité proche de la densité du matériau brut lorsque η est proche de 1). Quatre classes microstructurales ont été définies en fonction des valeurs de η. Trois paramètres clés ont été identifiés : la durée de pulse τP , la densité d'énergie Eρ et la densité de l'empilement des particules avant frittage laser ρlit. Une relation entre les paramètres clés du procédé et la microstructure des monocouches η = η(τP, Eρ, ρlit) a pu être établie, d'un point de vue quantitatif (influences relatives des différents paramètres) et qualitatif (modèles phénoménologiques). Ainsi nous avons pu observer que le paramètre le plus influent est la densité d'énergie Eρ, et que la microstructure est fine et particulaire pour de grandes durées de pulses τP, une grande densité du lit de poudre avant frittage laser ρlit et pour de faibles densités d'énergies Eρ.