Mécanisme de projection de la fabrication additive par fusion sur lit de poudre laser sur des surfaces hétérogènes

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20384 (2022) Citer cet article

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La fabrication additive laser sur poudre (PBF-LB) est une méthode de fabrication additive capable de produire des pièces de haute précision et entièrement denses. Cependant, l’assurance qualité non destructive de l’absence de défauts internes reste un défi. L'atténuation des défauts internes nécessite d'élucider leur mécanisme de formation et d'améliorer les conditions du processus PBF-LB. Nous avons donc développé un système de surveillance in situ combinant mesure de morphologie de surface par projection de franges et mesure de champ thermique avec une caméra haute vitesse. Sur des surfaces hétérogènes dans un processus PBF-LB multipiste pratique, un indice de rugosité de la surface de la pièce construite a été modifié de manière cyclique, ce qui correspond au changement d'angle entre le balayage laser et le flux de gaz atmosphérique. La surveillance par caméra à grande vitesse a montré que le bassin de fusion était asymétrique et en forme de fuseau et que les éclaboussures étaient émises principalement du côté de la partie construite du bassin de fusion. En outre, il a été constaté que la morphologie de la surface des pièces construites sous la couche de poudre affectait la stabilité du bain de fusion. En conséquence, une représentation graphique du bain de fusion et des projections pour des surfaces hétérogènes a été proposée. Bien qu'il soit encore difficile d'estimer théoriquement la fenêtre de processus dans laquelle il n'y a pas de projections ni de défauts internes, les équipements de surveillance in situ fourniront des connaissances permettant d'élucider la formation de projections et de défauts internes.

La fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (PBF-LB) est largement appliquée dans les industries aérospatiale1,2 et médicale3,4. Cependant, le procédé PBF-LB présente plusieurs limites liées à la détérioration de la qualité des produits causée par des micro-défauts internes et à l'assurance d'une fabrication stable des produits. Le procédé PBF-LB produit des modèles 3D en compilant des lits de poudre irradiés au laser. Un lit de poudre est une couche de poudre formée par un revêtement de poudre, puis un laser irradie pour faire fondre la couche de poudre afin de créer une section 2D du modèle 3D. Le PBF-LB nécessite le contrôle de divers paramètres en termes de caractéristiques de la poudre5,6, de revêtement en poudre et de processus de construction7,8. Plus précisément, les conditions de revêtement en poudre et les caractéristiques de la poudre, y compris la distribution granulométrique de la poudre et la fluidité de la poudre, affectent les caractéristiques du lit de poudre, par exemple l'uniformité de l'épaisseur de la couche de poudre, la densité de la couche de poudre et la rugosité de la surface. Même si les conditions du processus de construction, par exemple l'irradiation laser et les conditions atmosphériques, sont les mêmes, le matériau construit peut contenir des défauts internes lorsque les caractéristiques du lit de poudre sont différentes. Ainsi, l’effet des caractéristiques du lit de poudre sur le processus de fusion lors du balayage laser est nécessaire pour garantir la qualité des produits finaux9,10,11,12.

Des recherches récentes sur la surveillance in situ du lit de poudre et de la surface des pièces construites se sont concentrées sur la clarification du mécanisme de formation des défauts13,14,15,16,17,18,19,20. La projection de motifs16, la détection de la vision et l'interférométrie à faible cohérence18 ont été proposées pour quantifier la morphologie de surface des pièces construites21. Cependant, la morphologie de surface du lit de poudre n’a pas été observée et suffisamment rapportée.

En outre, les recherches existantes se sont concentrées sur le mécanisme de formation de défauts au cours du processus PBF-LB et des techniques de surveillance sont en cours de développement pour garantir la fabrication stable de produits de haute qualité13,14,15,16,17,18. Le mécanisme de formation des défauts causés par les trous de serrure et les éclaboussures a été étudié à l'aide d'une caméra à grande vitesse8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 et d'un micro-synchrotron X. tomodensitométrie à rayons (µSXCT)35,36,37,38,39,40,41. Des observations sur le comportement des projections et des bains de fusion ont été rapportées pour la piste laser unique sur un lit de poudre42,43,44,45,46,47,48,49,50 ; cependant, ces observations n’expliquent pas de manière adéquate le balayage laser pratique effectué au cours du processus PBF-LB. La plupart des recherches ont été menées pour une seule piste laser sur la surface uniforme du lit de poudre. Cependant, le processus pratique utilise plusieurs pistes ; chaque laser balaie une ligne avec une surface de couche de poudre d'un côté et la surface de la pièce solide construite par un balayage laser précédent de l'autre. Une surface comportant à la fois une couche de poudre et une surface de pièce solide est appelée surface hétérogène dans cette recherche. À la connaissance des auteurs, il n’existe pas de rapports sur la qualification systématique du comportement des projections et des flaques de fusion sur surface hétérogène.