La présente étude doctorale porte sur la physique du frittage/fusion sélectif par laser (SLS/SLM) de matériaux en poudre et, plus particulièrement, sur les aspects physiques et technologiques de la fabrication directe assistée par laser (LDM). Des objets 2D et 3D ont été fabriqués à partir de différentes poudres métalliques en utilisant la machine PM100 de Phenix Systems.
Le mémoire est divisé en dix chapitres.

Le premier chapitre est une introduction au prototypage rapide (RP). On y retrouve le principe général et la classification des systèmes de RP, l’historique et les directions majeures du développement de la technologie: outillage rapide (RT) et fabrication rapide (RM).

Le deuxième chapitre décrit la machine de frittage sélectif par laser PM100 de Phenix Systems, donne un schéma général du procédé de fusion sélective par laser (SLM), passe en revue les composants fonctionnels de PM100 et leurs spécifications.

Le troisième chapitre est une analyse des propriétés physiques et chimiques des poudres utilisées en SLM: composition chimique, méthodes de fabrication, taille et morphologie des particules, densité apparente et densité tapée, coulabilité de la poudre, caractérisation des particules par microscopie électronique à balayage (SEM). Le dépôt de couche de poudre et les propriétés de surface du substrat sont décrits.

Le quatrième chapitre fait une analyse détaillée de la physique du procédé SLM: processus thermiques dans les zones d'interaction, absorption, réflexion, transfert radiatif, transfert de chaleur par conduction et convection, évaporation et émission du matériau. La simulation numérique de l'interaction entre le rayonnement laser et le substrat découvert (sans poudre) et le rayonnement laser et la poudre est présentée. Les résultats expérimentaux et numériques sur la géométrie de lignes de frittage uniques (vecteurs) et la distribution de température de surface sont comparés pour les différentes vitesses de balayage et puissances laser.

L’objectif du cinquième chapitre est d’examiner en détails la formation des vecteurs uniques de la première couche. La microstructure des vecteurs frittés est analysée. Les paramètres optimaux du procédé SLM pour l’Inox grade 316L, 904L, H13, l’Inconel 625 et l’alliage cuivre-nickel sont déterminés. L’influence de l'épaisseur de la couche de poudre, de la puissance laser et de la vitesse de balayage sur la formation des vecteurs uniques et les caractéristiques des vecteurs obtenus sont étudiées. Une analyse statistique a permis d'établir une hiérarchie des paramètres du procédé quant à leur incidence sur les caractéristiques du vecteur.

Le sixième chapitre traite de la dynamique et des particularités de la formation de gouttelettes de matériau fondu qui se produit lors du procédé de SLS/SLM des poudres métalliques.

Le procédé de fabrication directe assistée par laser d’objets 2D fait l’objet du septième chapitre. Une attention particulière est accordée à l'influence des paramètres du procédé sur la formation d’objets 2D dans le plan vertical et horizontal (couches et murs minces). L'influence de la distance de déplacement du faisceau laser entre deux vecteurs sur la morphologie de la surface de la couche horizontale est déterminée. Les paramètres optimaux du procédé (la distance de déplacement du faisceau laser, l’épaisseur de la couche de poudre et la vitesse de balayage) sont établis.
Les résultats obtenus dans le septième chapitre ont été utilisés pour la fabrication d’objets 3D.

Le huitième chapitre est consacré à la fabrication d’objets dotés d’une matrice intérieure de type grille ou d’une structure poreuse régulière. La porosité, la microstructure et les propriétés mécaniques des échantillons 3D fabriqués en utilisant les stratégies différentes sont comparées.

Le neuvième chapitre est consacré aux applications industrielles actuelles de la technologie SLM. Des objets 3D avancés sont discutés dans ce chapitre: des modèles intégrant des canaux de refroidissement conformes ou des structures internes de conception, un prototype de la cellule de refroidissement pour DEMO (DEMOnstration nuclear fusion Power Plant), divers échantillons pour les applications chimiques et biomédicales.
Des modèles et des composants multimatériaux multicouches hautement novateurs ont été fabriqués par un procédé en deux étapes. Ces résultats démontrent le grand potentiel de SLM pour fabriquer en un seul cycle technologique une large variété de pièces fonctionnelles complexes avec les propriétés et la performance désirées.

Le dixième chapitre (Conclusions générales) résume les réalisations majeures de la présente thèse: les résultats de base et les nouveaux concepts technologiques.
Les résultats de la recherche sur les brevets d’invention présentés dans l'Annexe 1 illustrent, en particulier, le caractère novateur de la présente étude.

L’Annexe 2 propose une caractérisation détaillée des poudres utilisées.
L’Annexe 3 présente les propriétés physiques, mécaniques et thermiques des alliages métalliques conventionnels et leurs applications actuelles typiques: aciers inoxydables (SS) grade 316L, 904L, acier d’outillage H13, superalliages austénitiques Inconel625 et Inconel718 à base de nickel, de cobalt, alliages de cuivre et de cuivre-nickel, de titane et de titane-nickel.

Présentation par Iahr Yadroitseau / ENISE