Vision academique pour la fabrication additiveActivites et perspectives a l’EPFL
Eric Boillat1
1Laboratoire de Gestion et Procedes de ProductionInstitut de Genie Mecanique
EPFL
Paris, 8 avril 2015
Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015 Vision academique
Presentation Defis Projets
Contenu
1 Presentation du LGPP et equipements disponibles
2 Defis scientifiques pour les procedes additifs
3 Projets de recherche courants
Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015 Vision academique
Presentation Defis Projets
Competences specifiques du LGPP
Gestion de production :• Gestion des chaınes logistiques
• Entreprise virtuelle
• Planification de la production
• Integration des aspects humains
• Modelisation et simulation
• Outils d’aide a la decision
Procedes de production :• Procedes de fabrication traditionnels (ablatifs, replicatifs)
• Procedes de fabrication additifs
• Fusion/frittage selectif par laser
- Modelisation et simulation des procedes de production- Outillage rapide- Fabrication rapide- Optimisation thermique d’outils
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Presentation Defis Projets
Competences specifiques du LGPP
Gestion de production :• Gestion des chaınes logistiques
• Entreprise virtuelle
• Planification de la production
• Integration des aspects humains
• Modelisation et simulation
• Outils d’aide a la decision
Procedes de production :• Procedes de fabrication traditionnels (ablatifs, replicatifs)
• Procedes de fabrication additifs
• Fusion/frittage selectif par laser
- Modelisation et simulation des procedes de production- Outillage rapide- Fabrication rapide- Optimisation thermique d’outils
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Presentation Defis Projets
Activites liees aux procedes additifs
Equipements SLS disponibles au LGPP
EOSINT M250 Machine experimentale
•laser CO2 • laser Nd :YAG pulse ou Ytterbium-fiber CW
- • atmosphere controllee
• poudre bronze • Ti, Ni, Au, Ag, 316L, H13,. . .
• couches de 50µm • couches jusau’a 20µm
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Presentation Defis Projets
Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD)
Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees
Defis Projets courants Benefices pour le procede
(a) Maıtrise de nouveaux materiaux
Composite a matrice metallique optimisation des piecesCombinaison de materiaux nouvelles applications
(b) Amelioration de la qualite des pieces
Diminution des contraintes thermiques red. des travaux de finitionAmelioration precision/qualite de surface red. des couts, des dechets
Augmentation de la productivite accrue nouvelles applications
(c) Developpement de techniques de controle
Controle de la poudre et de sa deposition fiabiliteControle de la consolidation de la poudre certification des pieces
Strategie de retroactions
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Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD)
Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees
Defis Projets courants Benefices pour le procede
(a) Maıtrise de nouveaux materiaux
Composite a matrice metallique optimisation des piecesCombinaison de materiaux nouvelles applications
(b) Amelioration de la qualite des pieces
Diminution des contraintes thermiques red. des travaux de finitionAmelioration precision/qualite de surface red. des couts, des dechets
Augmentation de la productivite accrue nouvelles applications
(c) Developpement de techniques de controle
Controle de la poudre et de sa deposition fiabiliteControle de la consolidation de la poudre certification des pieces
Strategie de retroactions
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Presentation Defis Projets
Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD)
Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees
Defis Projets courants Benefices pour le procede
(a) Maıtrise de nouveaux materiaux
Composite a matrice metallique optimisation des piecesCombinaison de materiaux nouvelles applications
(b) Amelioration de la qualite des pieces
Diminution des contraintes thermiques red. des travaux de finitionAmelioration precision/qualite de surface red. des couts, des dechets
Augmentation de la productivite accrue nouvelles applications
(c) Developpement de techniques de controle
Controle de la poudre et de sa deposition fiabiliteControle de la consolidation de la poudre certification des pieces
Strategie de retroactions
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Presentation Defis Projets
Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD)
Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees
Defis Projets courants Benefices pour le procede
(a) Maıtrise de nouveaux materiaux
Composite a matrice metallique optimisation des piecesCombinaison de materiaux nouvelles applications
(b) Amelioration de la qualite des pieces
Diminution des contraintes thermiques red. des travaux de finitionAmelioration precision/qualite de surface red. des couts, des dechets
Augmentation de la productivite accrue nouvelles applications
(c) Developpement de techniques de controle
Controle de la poudre et de sa deposition fiabiliteControle de la consolidation de la poudre certification des pieces
Strategie de retroactions
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Presentation Defis Projets
Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD)
Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees
Defis Projets courants Benefices pour le procede
(a) Maıtrise de nouveaux materiaux
Composite a matrice metallique optimisation des piecesCombinaison de materiaux nouvelles applications
(b) Amelioration de la qualite des pieces
Diminution des contraintes thermiques red. des travaux de finitionAmelioration precision/qualite de surface red. des couts, des dechets
Augmentation de la productivite accrue nouvelles applications
(c) Developpement de techniques de controle
Controle de la poudre et de sa deposition fiabiliteControle de la consolidation de la poudre certification des pieces
Strategie de retroactions
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Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD)
Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees
Defis Projets courants Benefices pour le procede
(a) Maıtrise de nouveaux materiaux
Composite a matrice metallique optimisation des piecesCombinaison de materiaux nouvelles applications
(b) Amelioration de la qualite des pieces
Diminution des contraintes thermiques red. des travaux de finitionAmelioration precision/qualite de surface red. des couts, des dechets
Augmentation de la productivite accrue nouvelles applications
(c) Developpement de techniques de controle
Controle de la poudre et de sa deposition fiabiliteControle de la consolidation de la poudre certification des pieces
Strategie de retroactions
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Nouveaux materiaux
Fenetre operationnelle :
Param. operat.puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Carac. materiauxtemp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
vitesse de balayage v, mm/s
puis
sanc
ela
ser
P0,W
0 600 1200 1800 2400 30000
80
160
240
320
400
480
560
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Nouveaux materiaux
Fenetre operationnelle :
Param. operat.puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Carac. materiauxtemp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
vitesse de balayage v, mm/s
puis
sanc
ela
ser
P0,W
0 600 1200 1800 2400 30000
80
160
240
320
400
480
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Nouveaux materiaux
Fenetre operationnelle :
Param. operat.puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Carac. materiauxtemp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
vitesse de balayage v, mm/s
puis
sanc
ela
ser
P0,W
0 600 1200 1800 2400 30000
80
160
240
320
400
480
560
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Nouveaux materiaux
Fenetre operationnelle :
Param. operat.puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Carac. materiauxtemp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
vitesse de balayage v, mm/s
puis
sanc
ela
ser
P0,W
0 600 1200 1800 2400 30000
80
160
240
320
400
480
560
Pmin
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Nouveaux materiaux
Fenetre operationnelle :
Param. operat.puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Carac. materiauxtemp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
vitesse de balayage v, mm/s
puis
sanc
ela
ser
P0,W
0 600 1200 1800 2400 30000
80
160
240
320
400
480
560
Pmin
Plaser
vmax
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Nouveaux materiaux
Fenetre operationnelle :
Param. operat.puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Carac. materiauxtemp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
vitesse de balayage v, mm/s
puis
sanc
ela
ser
P0,W
0 600 1200 1800 2400 30000
80
160
240
320
400
480
560
Pmin
Plaser
vmax
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Presentation Defis Projets
Nouveaux materiaux et controle des poudres
Developpement de differents instruments de diagnostic des poudres
Mesures d’absorptivite Mesures de conductivite
• couplage laser-matiere • dynamique de la diffusion d’energie
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Presentation Defis Projets
Nouveaux materiaux et optimisation des pieces
Fenetre operationnelle :
Parametresoperationnels
puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Caracteristiques dumateriaux
temp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
Cette formule :(i) ne tient pas compte des phenomenes radiatifs et diffractifs dans la poudre,
(ii) ne tient pas compte d’effets non-lineaires comme par exemple· les transitions de phase solide-liquide,· le deplacement du liquide sous l’effet des forces capillaires,· l’augmentation de la conductivite thermique.
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Nouveaux materiaux et optimisation des pieces
Fenetre operationnelle :
Parametresoperationnels
puissance laser P0, vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Caracteristiques dumateriaux
temp. de fusion Tmelt, absorption e-m A
conductivite therm. k, diffusivite therm. η
AP0
kωH(
vω2η
)> 2√π(Tmelt − Tpr−heat)
Cette formule :(i) ne tient pas compte des phenomenes radiatifs et diffractifs dans la poudre,
(ii) ne tient pas compte d’effets non-lineaires comme par exemple· les transitions de phase solide-liquide,· le deplacement du liquide sous l’effet des forces capillaires,· l’augmentation de la conductivite thermique.
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Presentation Defis Projets
Optimisation des pieces
Developpement d’un modele elements finis :
Entree Sortie
• strat. de balayage, param. laser • champ de temperature/geometrie de la piece• proprietes therm. de la poudre • contraintes thermiques/deformations• proprietes meca. de la poudre • microstructures
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Presentation Defis Projets
Optimisation des pieces
MEF : predictions des microstructures et des contraintes residuelles :
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Presentation Defis Projets
Optimisation des pieces
Agir sur les parametres operationnels pour piloter la microstrcuture :• Collaboration avec le LMTM (prof. R.Loge)
Param. operationnels puissance laser P0, vitesse de balayage vrayon du faisceau ω, temp. de prechauffage Tpr−heat
Prop. mecaniques
as from [1]
as from [1]
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Presentation Defis Projets
Controle en ligne du procede
Developpement d’un dipositif de vision en temps reel
laser
tete
galva.
miroir dichroique separateur de faisceau
emission IR depuis le lit
laser
photodiode
ou
CMOS
obj, filtres
tension photodiode
bain liquide
CMOS
+objectif+filtres
lit de pdre
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Presentation Defis Projets
Controle en ligne du procede
Developpement d’un dipositif de vision en temps reel
• Controle du procede, certification des pieces
• Controle avec retroaction sur la puissance ou la vitesse de balayage
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Presentation Defis Projets
Controle du procede (piece et lit de poudre)
Methodes de detection basees sur les courants de Foucault
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Presentation Defis Projets
References
Pan Ma, Konda G Prashanth, Sergio Scudino, Yandong Jia, Hongwei Wang,Chunming Zou, Zunjie Wei, and Jurgen Eckert.Influence of annealing on mechanical properties of al-20si processed by selectivelaser melting.Metals, 4(1) :28–36, 2014.
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