Contribution à l’amélioration de la productivité du procédé de fusion laser sur lit de poudre à l’aide de mélanges de poudres - Université de Lorraine
Thèse Année : 2023

Contribution to the improvement of the laser powder bed fusion process productivity using powder blends

Contribution à l’amélioration de la productivité du procédé de fusion laser sur lit de poudre à l’aide de mélanges de poudres

Résumé

In the field of metal additive manufacturing, the powder bed fusion laser process (PBF-LB) constitutes a significant share of industrial activity. The demands placed on this process are continually evolving, with an increasing demand for large-sized components. These components can approach the maximum size capacity of the machines. Such manufacturing poses both technical and financial challenges as it must fully exploit the design capabilities offered by this process while maintaining economic viability. Currently, the process faces a limitation in its competitiveness for many applications due to its low productivity. To address this issue, innovations such as multi-laser systems are being developed, albeit at a significant investment cost. Another approach to enhance productivity involves optimizing the process with thicker powde layer conditions. Additionally, a key factor for the final components cost is the price of the powders used. Presently, only a small fraction of the gas atomized powder is utilized for the PBF-LB process, approximately 20 to 30% by mass. When producing tall components, the required volume of powder equals to a high material cost. This thesis work presents an approach aiming to improve productivity by increasing the layer thickness. This increased layer thickness provides the opportunity to use powders with larger particle sizes and make use of atomized fractions that are currently not employed in the process. What sets this research apart is its use of powder blends of the same nature but with distinct size distributions. Employing powder blends in the PBF-LB process required a characterization of their packing and flow properties in relation to the size ratio and proportion of the constituent powders. Two types of blends were identified, with a cohesion profile dependent on the type of fine powder used. The powder spreading process was studied on an experimental platform, and a characterization approach was proposed. The behavior of powder blends during spreading was examined in relation to the platform coverage rate and the height of the deposited powder layer. The results obtained provided support for the use of a blend of non-cohesive powders in the PBF-LB manufacturing process. Fabrication experiments were conducted to investigate the implementation of this powder blend, ultimately identifying a combination of parameters that allowed for the formation of components with a density exceeding 99,5% from a powder layer thickness of 150 µm. As a result, the construction speed reaches 15 cm3/h and the powder blend used consists of 70 % by mass of a coarse particle size fraction that was previously not utilized in the process.
Dans le domaine de la fabrication additive métallique, le procédé de fusion laser sur lit de poudre (PBF-LB) représente une grande part de l'activité industrielle. Les demandes auxquelles font face le procédé évoluent constamment et la demande de pièces de grande taille est en augmentation. Ces pièces peuvent atteindre une hauteur proche de la capacité maximale des machines. Ce type de fabrication représente un défi à la fois technique et financier, car il doit permettre d'exploiter pleinement les possibilités de conception offertes par ce procédé et maintenir une viabilité économique. Le procédé est actuellement entravé par une faible productivité, qui limite sa compétitivité pour de nombreuses d'applications. Afin de remédier à cet inconvénient, des innovations telles que les systèmes multi laser se développent s'avèrent cependant coûteuses. Une autre approche pour améliorer de la productivité consiste à optimiser le procédé dans des conditions d'épaisseur de couche plus importante. Un autre facteur clé du coût final des pièces est le prix des poudres utilisées. À l'heure actuelle, seule une faible fraction de la production de poudre par atomisation gazeuse est valorisée pour le procédé PBF-LB (environ 20 à 30 % en masse). Dans le cadre de la réalisation de pièces de grande hauteur, le volume de poudre à mobiliser constitue un coût en matière première élevé. Ce travail de thèse propose une démarche d'amélioration de la productivité basée sur une augmentation de l'épaisseur de couche. Cette augmentation de l'épaisseur de couche offre la possibilité d'utiliser des poudres de granulométrie plus importante et de valoriser des fractions aujourd'hui non utilisées pour le procédé. L'originalité de ces travaux réside dans l'utilisation de mélanges de poudres de même nature et de distribution de taille distinctes. L'utilisation de mélanges de poudres dans le procédé PBF-LB a nécessité une caractérisation de ses propriétés de compaction et d'écoulement au regard du ratio de taille et de la proportion des poudres constitutives. Deux types de mélanges ont été identifiés, avec un profil de cohésion dépendant du type de poudre fine utilisé. Le processus d'étalement des poudres a été étudié sur un banc expérimental, et une démarche de caractérisation a été proposée. Le comportement à l'étalement des mélanges de poudres a été étudié au regard du taux de couverture du plateau et de la hauteur de la couche de poudre déposée. Les résultats obtenus ont permis de conforter l'utilisation d'un mélange de poudres non-cohésives pour la réalisation de fabrication dans le procédé PBF-LB. Des fabrications ont été réalisées pour étudier la mise en œuvre de ce mélange de poudres. Ces fabrications ont permis d'identifier une combinaison de paramètres permettant la formation d'échantillons de densité supérieure à 99,5% à partir d'épaisseur de couche de 150 μm. La vitesse de construction atteint ainsi 15 cm3/h et le mélange de poudres utilisé est constitué à 70 % en masse d'une fraction granulométrique n'étant précédemment pas valorisée pour le procédé.
Fichier principal
Vignette du fichier
DDOC_T_2023_0301_BOUROT.pdf (17.15 Mo) Télécharger le fichier
Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04688730 , version 1 (05-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04688730 , version 1

Citer

Paul Bourot. Contribution à l’amélioration de la productivité du procédé de fusion laser sur lit de poudre à l’aide de mélanges de poudres. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine, 2023. Français. ⟨NNT : 2023LORR0301⟩. ⟨tel-04688730⟩
34 Consultations
11 Téléchargements

Partager

More