La fabrication additive laser, grâce à sa haute précision, sa grande flexibilité et son haut degré d'automatisation, est largement utilisée pour la fabrication de composants clés dans des secteurs tels que l'automobile, le médical et l'aérospatiale (injecteurs de propergol, supports d'antennes satellites, implants humains, etc.). Cette technologie permet d'améliorer considérablement les performances des pièces imprimées grâce à une fabrication intégrée de la structure et des propriétés des matériaux. Actuellement, la fabrication additive laser utilise généralement un faisceau gaussien focalisé, caractérisé par une forte énergie au centre et une faible énergie en périphérie. Cependant, ce faisceau génère souvent d'importants gradients thermiques dans le matériau fondu, entraînant la formation de porosités et d'un grain grossier. La mise en forme du faisceau est une méthode récente permettant de résoudre ce problème. Elle améliore l'efficacité et la qualité d'impression en ajustant la distribution de l'énergie du faisceau laser.
Comparée aux techniques de fabrication traditionnelles par soustraction et par équivalence, la fabrication additive métallique présente des avantages tels qu'un cycle de production court, une grande précision d'usinage, un taux d'utilisation des matériaux élevé et d'excellentes performances globales des pièces. De ce fait, elle est largement utilisée dans des secteurs comme l'aérospatiale, l'armement, le nucléaire, la biopharmacie et l'automobile. Basée sur le principe de l'empilement discret, la fabrication additive métallique utilise une source d'énergie (laser, arc électrique ou faisceau d'électrons) pour fondre la poudre ou le fil, puis les empile couche par couche pour fabriquer la pièce souhaitée. Cette technologie est particulièrement avantageuse pour la production de petites séries, de structures complexes ou de pièces personnalisées. Elle permet également de travailler des matériaux difficiles ou impossibles à usiner par les techniques traditionnelles. Grâce à ces atouts, la fabrication additive a suscité un vif intérêt auprès des chercheurs, tant au niveau national qu'international. Ces dernières décennies, elle a connu un développement rapide. Grâce à l'automatisation et à la flexibilité des équipements de fabrication additive laser, ainsi qu'aux avantages combinés d'une densité d'énergie laser élevée et d'une grande précision de traitement, la technologie de fabrication additive laser s'est développée plus rapidement que les trois technologies de fabrication additive métallique mentionnées ci-dessus.
La fabrication additive métallique par laser se divise en deux technologies principales : la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et le dépôt direct d'électrons (DED). La figure 1 illustre un schéma typique des procédés LPBF et DED. Le procédé LPBF, également appelé fusion sélective par laser (SLM), permet de fabriquer des composants métalliques complexes en balayant un lit de poudre avec un faisceau laser de haute énergie, couche par couche, selon une trajectoire fixe. Le procédé DED comprend principalement deux étapes d'impression : le dépôt par fusion laser et la fabrication additive par alimentation de fil laser. Ces deux technologies permettent de fabriquer et de réparer directement des pièces métalliques en alimentant simultanément en poudre ou en fil métallique. Comparé au LPBF, le DED offre une productivité supérieure et une surface de fabrication plus importante. De plus, cette méthode permet de préparer facilement des matériaux composites et des matériaux à gradient de propriétés. Cependant, la qualité de surface des pièces imprimées par DED reste souvent médiocre et un traitement ultérieur est nécessaire pour améliorer la précision dimensionnelle du composant final.
Dans le procédé de fabrication additive laser actuel, le faisceau gaussien focalisé est généralement la source d'énergie. Cependant, sa distribution d'énergie particulière (élevée au centre, faible en périphérie) est susceptible d'engendrer d'importants gradients thermiques et une instabilité du bain de fusion, ce qui se traduit par une qualité de formage médiocre des pièces imprimées. De plus, si la température au centre du bain de fusion est trop élevée, les éléments métalliques à bas point de fusion se vaporisent, aggravant ainsi l'instabilité du procédé LBPF. Par conséquent, l'augmentation de la porosité réduit considérablement les propriétés mécaniques et la durée de vie en fatigue des pièces imprimées. La distribution d'énergie non uniforme des faisceaux gaussiens entraîne également une faible efficacité d'utilisation de l'énergie laser et un gaspillage d'énergie excessif. Afin d'améliorer la qualité d'impression, les chercheurs ont commencé à explorer des solutions pour compenser les défauts des faisceaux gaussiens en modifiant les paramètres du procédé, tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l'épaisseur de la couche de poudre et la stratégie de balayage, afin de contrôler l'apport d'énergie. Cependant, la plage de traitement très étroite de cette méthode, ainsi que les limitations physiques inhérentes, limitent les possibilités d'optimisation. Par exemple, l'augmentation de la puissance du laser et de la vitesse de balayage permet d'atteindre une productivité élevée, mais souvent au détriment de la qualité d'impression. Ces dernières années, la modification de la distribution de l'énergie laser par des techniques de mise en forme du faisceau a permis d'améliorer significativement la productivité et la qualité d'impression, ce qui pourrait constituer l'avenir du développement de la fabrication additive laser. La mise en forme du faisceau consiste généralement à ajuster la distribution du front d'onde du faisceau incident afin d'obtenir la distribution d'intensité et les caractéristiques de propagation souhaitées. L'application de cette technique à la fabrication additive métallique est illustrée à la figure 2.
Application de la technologie de mise en forme du faisceau dans la fabrication additive laser
Les limites de l'impression traditionnelle par faisceau gaussien
En fabrication additive métallique par laser, la distribution énergétique du faisceau laser influe considérablement sur la qualité des pièces imprimées. Bien que les faisceaux gaussiens soient largement utilisés dans les équipements de fabrication additive métallique par laser, ils présentent des inconvénients majeurs tels qu'une qualité d'impression instable, une faible efficacité énergétique et des plages de paramètres de procédé étroites. Parmi ces inconvénients, le processus de fusion de la poudre et la dynamique du bain de fusion sont étroitement liés à l'épaisseur de la couche de poudre. En raison des projections de poudre et des zones d'érosion, l'épaisseur réelle de la couche de poudre est supérieure à la valeur théorique. De plus, la colonne de vapeur provoque les principales projections vers l'arrière. La vapeur métallique entre en collision avec la paroi arrière et forme des projections qui sont pulvérisées le long de la paroi avant, perpendiculairement à la zone concave du bain de fusion (voir figure 3). Du fait de l'interaction complexe entre le faisceau laser et ces projections, ces dernières peuvent sérieusement affecter la qualité d'impression des couches de poudre suivantes. Enfin, la formation de micro-cavités dans le bain de fusion affecte également fortement la qualité des pièces imprimées. Les pores internes de la pièce imprimée sont principalement dus à des trous de verrouillage instables.
Mécanisme de formation des défauts dans la technologie de mise en forme des faisceaux
La technologie de mise en forme du faisceau permet d'améliorer les performances de plusieurs manières simultanément, contrairement aux faisceaux gaussiens qui optimisent les performances dans une seule dimension au détriment des autres. Cette technologie ajuste avec précision la distribution de température et les caractéristiques d'écoulement du bain de fusion. En contrôlant la distribution de l'énergie laser, on obtient un bain de fusion relativement stable avec un faible gradient de température. Une distribution appropriée de l'énergie laser contribue à réduire la porosité et les défauts de pulvérisation, et à améliorer la qualité de l'impression laser sur les pièces métalliques. Elle permet d'améliorer l'efficacité de la production et l'utilisation de la poudre. De plus, la technologie de mise en forme du faisceau offre davantage de possibilités de traitement, libérant considérablement la conception des procédés ; il s'agit d'une avancée révolutionnaire dans le domaine de la fabrication additive laser.
Date de publication : 28 février 2024
