Impact de la morphologie des poudres métalliques sur leur performance lors de l’étalement et la fusion laser sur lit de poudre

Brika, Salah Eddine (2023). Impact de la morphologie des poudres métalliques sur leur performance lors de l’étalement et la fusion laser sur lit de poudre. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fusion laser sur lit de poudre (FLLP) est un procédé de fabrication additive en pleine expansion, qui se base sur la mise en forme d’une pièce par empilement de couches successives de poudre métallique. Avec le procédé FLLP, chaque couche de la pièce est consolidée en utilisant un laser à haute puissance qui fusionne d’une façon sélective les particules étalées du lit de poudre; ensuite, un racleur répand uniformément une nouvelle couche de poudre par-dessus celle préalablement fusionnée pour créer la couche suivante et ainsi de suite, jusqu’à ce que toute la pièce soit fabriquée.

Les performances du procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, en plus des paramètres d’impression et des caractéristiques du matériau utilisé, dépendent grandement des propriétés du lit de poudre étalée, notamment, en termes de densité et d’uniformité. Les propriétés du lit de poudre résultent de l’interaction entre les propriétés intrinsèques des particules, le mécanisme de raclage et les paramètres d’étalement utilisés. Par conséquent, une évaluation précise des caractéristiques de la poudre et une profonde compréhension de son comportement mécanique au cours de son étalement deviennent importantes. Une telle évaluation implique notamment la caractérisation des propriétés d’écoulement de la poudre et de leurs impacts sur les performances du procédé FLLP.

Cette thèse présente, sous la forme de trois articles scientifiques, la réalisation d’une démarche visant : à comprendre le lien entre les caractéristiques intrinsèques de la poudre, ses propriétés d’écoulement et les performances du procédé FLLP; et à proposer une nouvelle technique de caractérisation de la poudre capable d’évaluer des métriques d’intérêt pertinentes au procédé de fabrication additive sur lit de poudre.

Dans un premier temps, une étude exhaustive fut menée sur trois lots de poudres de Ti-6Al4V sélectionnés de façon à pouvoir étudier l’impact de la sphéricité (poudre atomisée au plasma vs poudre atomisée au gaz) et de la distribution de taille des particules (poudre avec plus de particules fines vs poudre avec moins de particules fines) sur plusieurs grandeurs d’intérêt, à savoir, les performances rhéologiques des poudres avant la fabrication vs les propriétés géométriques et mécaniques des pièces fabriquées avec ces poudres par FLLP.

Premièrement, en utilisant les indices rhéologiques mesurables à l’aide d’un rhéomètre FT4 (résistance à l’écoulement dynamique, cohésion, compressibilité, perméabilité…), une figure de mérite a été proposée pour quantifier la pertinence globale d’une poudre donnée au procédé FLLP. Ensuite, les mêmes lots de poudre ont été utilisés pour fabriquer une série d’échantillons de tests pour étudier l’impact des caractéristiques des poudres sélectionnées sur les propriétés des pièces imprimées (densité, fini de surface, limites de fabrication, propriétés mécaniques statiques), et ce, pour deux épaisseurs de couche, deux posttraitements et deux orientations de fabrication. Pour pousser l’investigation plus loin, une étude de performance en fatigue des échantillons produits avec deux des trois lots de poudre sélectionnés plus tôt, à savoir la poudre atomisée au plasma vs la poudre atomisée au gaz, fut menée.

Somme toute, les différences relativement minimes entre les morphologies des trois lots de poudre se sont avérées très significatives au niveau de leurs performances rhéologiques (15% en moyenne), de rugosité de surface (a14%) et de précision dimensionnelle (a24%) des échantillons imprimés. Cependant, en ce qui concerne les propriétés mécaniques des échantillons imprimés, ces différences étaient faibles pour les propriétés statiques (a7% pour la limite à la rupture, a4%, pour la limite d’élasticité et a3%, pour l’élongation à la rupture) pour finalement s’estomper, pour les propriétés en fatigue (a450 MPa, N=107 ). Cette diminution de l’impact de la morphologie des poudres dans un stade avancé du procédé peut être expliquée par la robustesse de ce procédé aux faibles variations morphologiques entre les lots. Toutefois, l’analyse des défauts par microtomographie a démontré la présence de pores alignés dans les échantillons fabriqués avec une des poudres indiquant l’utilisation de paramètres d’impression sous optimaux. D’où l’importance de l’optimisation des paramètres de fabrication pour les différents lots de poudre mêmes si la différence morphologiques des particules semble minime. Cette optimisation peut être réalisée grâce à des logiciels de simulation du bain de fusion du procédé FLLP. En connaissant que les caractéristiques du bain de fusion dépendent non seulement des paramètres laser (puissance, vitesse de balayage, distance entre les passes…), mais aussi des interactions laser-matière et, par conséquent, des propriétés du lit de poudre (densité, uniformité, rugosité de surface), il est important de pouvoir quantifier ces dernières. Néanmoins, les techniques conventionnelles de caractérisation des poudres ne sont pas en adéquation avec les métriques représentatives des propriétés d’un lit de poudre étalée.

Pour pouvoir répondre aux besoins exprimés plus haut et étant donné que les propriétés d’écoulement des poudres dépendent grandement des conditions imposées par l’application, un banc d’essai reproduisant le système d’étalement d’une machine industrielle typique, est développé et présenté dans ces travaux. Ce banc d’essai permet à l’opérateur de contrôler les paramètres d’étalement, notamment les incréments des différentes plateformes, la vitesse de raclage ainsi que le mécanisme d’étalement. Le banc d’essai permet aussi d’évaluer la densité du lit de poudre étalé à l’aide des cellules de charge installées sous la plaque de déposition. D’autre part, un système d’imagerie installé au-dessus de la plateforme d’étalement permet d’évaluer le profil de surface et ainsi l’uniformité et la variation du profil de surface du lit de poudre. Les forces d’étalement sont aussi évaluées en mesurant les variations de couple au niveau de l’actuateur du mécanisme de raclage. Une étude de cas est présentée pour montrer les capacités du banc d’essai développé. L’architecture fermée des machines commerciales, les conditions extrêmes dans une chambre de fabrication, le volume conséquent de poudre requise et les coûts élevés associés aux impressions limitent grandement les études se focalisant sur les propriétés rhéologiques des poudres d’où l’intérêt d’avoir accès à un outil instrumenté permettant de tester aisément différentes configurations d’étalement en évaluant plusieurs métriques d’intérêt dans le but d’optimiser l’opération d’étalement et diminuer le temps de sélection et de contrôle qualité de poudres destinées au procédé FLLP.

Titre traduit

Impact of metallic powder morphology on their spreadability and laser powder bed fusion performances

Résumé traduit

Laser powder bed fusion (LPBF) is a rapidly growing additive manufacturing process that is based on shaping a part by stacking successive layers of metal powder. With LPBF, each layer of the part is recreated using a high-powered laser that selectively fuses the spread particles of the powder bed; then a scraper evenly spreads a new layer of powder on top of the previously deposited one to create the next layer and so on until the entire part is made.

The performance of the LPBF process, in addition to the printing parameters and the characteristics of the used material, is highly dependent on the properties of the spread powder bed, especially in terms of density and uniformity. The properties of the powder bed result from the interaction between the intrinsic properties of the powder particles, the recoating mechanism and the spreading parameters used. Therefore, an accurate assessment of the powder characteristics and a deep understanding of its mechanical behaviour during spreading becomes important. Such an evaluation involves in particular the characterization of the rheological properties of the powder and their impact on the performance of the LPBF process.

This thesis presents, in the form of three scientific papers, a proposed approach aiming at understanding the link between the intrinsic characteristics of the powder, its rheological properties and the performance of the LPBF process, and at presenting a new powder characterization technique able to evaluate metrics of interest relevant to powder bed based additive manufacturing processes.

First, an exhaustive study was conducted on three lots of Ti-6Al-4V powders selected in order to study the impact of particles’ sphericity (plasma atomized powder vs. gas atomized powder) and particle size distribution (powder with more fine particles vs. powder with less fine particles) on several properties of interest, namely, the rheological performances of the powders before vs. the geometrical and mechanical properties of the parts fabricated with these powders by LPBF.

Using rheological indices measurable with an FT4 rheometer (dynamic flow resistance, cohesion, compressibility, permeability...), a figure of merit was proposed to quantify the overall suitability of a given powder to the LPBF process. Then, the same powder lots were used to fabricate a series of test samples to study the impact of the selected powders’ characteristics on the properties of the printed parts (density, surface finish, fabrication limits, static mechanical properties), and this, for two layer thicknesses, two post-treatments and two fabrication orientations. To further investigate this, a fatigue performance study of samples produced with two of the three powder lots previously selected, i.e. plasma atomized powder vs. gas atomized powder, was conducted.

All in all, the relatively small differences between the morphologies of the three powder lots proved to be very significant in terms of their rheological performance (15% on average), surface roughness (a14%) and dimensional accuracy (a24%) of the printed samples. However, as far as the mechanical properties of the printed samples are concerned, this difference became small for the static properties (a7% for the ultimate tensile strength, a4%, for the yield strength and a3%, for the elongation at break) and finally faded, for the fatigue properties (a500 MPa, N=106). This decrease in the impact of powder morphology in the advanced stage of the process can be explained by the robustness of the LPBF process to small morphological variations between powder lots. However, microtomography defect analysis demonstrated the presence of aligned pores in samples fabricated with one of the powders indicating the use of sub-optimal printing parameters. Hence the importance of optimizing the manufacturing parameters for the different powder lots even if the difference in particle morphologies seems minimal. This optimization can be done with simulation software of the LPBF process melt pool. Knowing that the melt pool characteristics depend not only on the laser parameters (power, scanning speed, hatch spacing...), but also on the laser-material interactions and, consequently, on the properties of the powder bed (density, uniformity, surface roughness), it is important to be able to quantify the latter. Nevertheless, conventional powder characterization techniques are not in line with the metrics representative of the properties of a spread powder bed.

In order to address the needs expressed above and given that the flow properties of powders depend greatly on the conditions imposed by the application, a test bench reproducing the spreading system of a typical industrial machine is developed and presented in this work. This test bench allows the operator to control the spreading parameters, including the increments of the different platforms, the spreading speed and the powder deposition mechanism. The test bench also allows to evaluate the density of the spread powder bed with the help of load cells installed under the spreading platform. On the other hand, an imaging system installed above the spreading platform allows to evaluate the surface profile and thus the uniformity and the variation of the surface profile of the powder bed. The spreading forces are also evaluated by measuring the torque variations at the actuator of the spreading mechanism. A case study is presented to show the capabilities of the developed testing apparatus. The closed architecture of commercial machines, the extreme conditions in a manufacturing chamber, the large volume of powder required and the high costs associated with printing greatly limit studies focusing on the rheological properties of powders, hence the interest in having access to an instrumented tool that can easily test different spreading configurations by evaluating several metrics of interest in order to optimize the spreading operation and decrease the selection and quality control time of powders intended for the FLLP process.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 189-211).
Mots-clés libres:	fabrication additive, fusion laser sur lit de poudre, rhéologie des poudres, tests mécaniques, conception et réalisation de banc d’essai, instrumentation et mesure
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 nov. 2023 18:33
Dernière modification:	16 nov. 2023 18:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3318

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