Généralités - Fusion laser sélective sur lit de poudre
Apparue vers la fin des années 1990, la fusion laser sélective sur lit de poudres métalliques (Laser Beam Melting – LBM) est une technique de fabrication par ajout de matière couche par couche, dite itérative, de la famille des procédés de fabrication additive.
Elle apporte des solutions innovantes pour la fabrication directe avec la matière adéquate de pièces mécaniques. C'est un procédé destiné à fabriquer des pièces complexes à forte valeur ajoutée à partir d'un fichier CAO (Conception Assistée par Ordinateur) dans de courts délais et sans outillage.
Les domaines d'applications de cette technologie concernent plusieurs secteurs industriels, principalement les industries dentaire, médicale, du moule d'injection de polymères, aéronautique, spatiale, de l'armement, mais aussi le luxe. Elle peut être utilisée comme moyen de prototypage rapide mais surtout comme moyen de production de pièces en petites ou moyennes séries. Dansce cas, nous parlerons alors de fabrication directe.
Les principaux avantages de cette technologie sont la réduction des délais et des outillages, l'allégement, la personnalisation, la réalisation de canaux de régulation thermique internes dits conformes et la diminution du nombre d'éléments d'un assemblage par la réalisation de pièces de géométries irréalisables avec des procédés conventionnels.
général de la fusion laser sélective sur lit de poudres métalliques
Ce procédé consiste à agréger par fusion sélective dans une enceinte sous gaz neutre les particules d'un lit de poudre à l'aide d'un faisceau laser qui balaie la surface et fait fondre simplement la poudre sur une section déterminée par le fichier STL. Après solidification de la couche, la plateforme de construction est abaissée pour pouvoir étaler une nouvelle couche de poudre d'épaisseur prédéterminée. Le laser balaie à nouveau la surface de la poudre pour créer une section additionnelle superposée à la couche précédente(figures 1 et 2).
Processus de construction.
La pièce en 3D est en quelque sorte un empilement de strates planes en 2D. Ce procédé de fabrication nécessite la construction de supports d'édification pour certaines pièces comportant des surfaces en contre-dépouille.
À l'inverse du frittage laser sur lit de poudres polymères, la poudre n'est pas totalement autoporteuse. En fin de process, nous trouvons, dans la zone de fabrication, la ou les pièces mises en forme, les supports d'édification entre le plateau de fabrication et les pièces, ainsi que de la poudre non fusionnée (figure 3).
La chaîne numérique est la même que pour tous les autres procédés de fabrication additive avec supports d'édification, à savoir :
fichier CAO au format natif ;
conversion en fichier STL ou 3MF;
positionnement dans la zone virtuelle de travail ;
mise en place virtuelle des supports d'édification ;
tranchage du ou des fichiers STL (passage du 3D au 2D) ;
calcul des trajectoires laser ;
fabrication itérative des tranches 2D.
Paramètres opératoires du procédé LBM.
Le procédé de fusion sélective par laser peut être vu comme une association entre trois modules physiques : l'unité laser, le matériau et la machine qui fait le lien entre les deux. Les paramètres opératoires peuvent alors se classer en trois catégories suivant l'unité à laquelle ils se rattachent.
La chaîne optique : Les paramètres relevant du laser sont : la puissance, le mode, le diamètre de l'empreinte (spot) du faisceau, la longueur d'onde ainsi que sa polarisation et la vitesse de balayage (FormUp 350 laser Yb :YAG(fibre) 500W)*.
Support de fabrication :Au niveau du matériau, sa nature élémentaire, c'est-à-dire sa composition, ainsi que la répartition granulométrique de la poudre conditionne grandement la réussite du procédé.
Paramètres liés à la machine :Enfin, la hauteur de poudre à irradier, la stratégie d'irradiation (ou de lasage) ainsi que la température et la pression partielle de gaz dans l'enceinte de fabrication représentent les paramètres liés à la machine.
* Laser YbYAG : Fibres cristallines dopées à l'ytterbium (λ longueur d'onde du laser = 1064nm)