Le projet CLIP FAM met en évidence la pertinence du recyclage des poudres métalliques pour augmenter la productivité de la fabrication additive, sans impacter les performances des pièces fabriquées et en réduisant l’impact environnemental du procédé. Outre le fait de conforter les industriels dans leurs pratiques actuelles, il vise à appuyer l’émergence de normes spécifiques sur ces poudres. C’est ce que nous a expliqué Sébastien Boileau, pilote d’activités au sein du laboratoire Analyses et Surface, qui a participé au projet.

La fabrication additive métallique est une technologie de production en plein essor, mais dont l’utilisation industrielle est encore récente. De ce fait, les industriels découvrent de nombreux phénomènes et apprennent au fur et à mesure qu’ils produisent des pièces. « C’est par exemple le cas pour le ‘‘vieillissement’’ des poudres métalliques qui sont utilisées », explique Sébastien Boileau, pilote d’activités au sein du laboratoire Analyses et Surface, membre du Groupe 6napse.

« En 2018, lors d’échanges informels au sein de Normandie AeroEspace (NAE), le réseau des acteurs de l’aéronautique, du spatial, de la défense et de la sécurité en Normandie, il est apparu que des industriels tels ArianeGroup ou MMB Volum-e, avaient un réel besoin de caractérisation des poudres métalliques qu’ils utilisent et de leur évolution tout au long des process de production, notamment lors des opérations de recyclage. C’est ce qui a conduit à lancer le projet de recherche ‘‘Caractérisation du Lit de Poudre pour la Fabrication Additive Métallique’’ (CLIP-FAM). »

Un besoin de contrôle qualité d’autant plus important que toutes les méthodes de caractérisation des poudres, utilisées jusque-là dans le contexte de la fabrication additive, était issues en fait de caractérisation dédiées à d’autres procédés industriels. Des procédés qui mettaient en jeu de l’écoulement et non de l’étalement, donc sans lien direct avec le mouvement que voit la poudre dans la machine.

Une pollution chimique et physique

« En effet, si les fournisseurs de matières premières donnent les caractéristiques de leurs poudres métalliques lorsqu’elles sont neuves, il faut, d’une part, que les industriels puissent les vérifier avant la mise en service, et d’autre part, qu’ils puissent en suivre précisément le ‘‘vieillissement’’ au fil des recyclages entre chaque impression. »

« Le ‘‘vieillissement’’ des poudres au fur et à mesure de leur utilisation est dû à deux phénomènes, l’un de nature chimique et l’autre de nature physique. » Même si la poudre est utilisée sur la machine dans une atmosphère contrôlée avec balayage par gaz neutre, il y a quand même une notion d’oxydation qui peut se développer dans la pièce. « Alors, oxydation, c’est un peu exagéré, le grain de poudre ne va pas être recouvert d’une couche d’oxyde, mais on a constaté, grâce aux analyses effectuées par le laboratoire Crismat de Caen dans le cadre du projet, une très légère augmentation, de quelques ppm, du taux d’oxygène global dans la poudre, au fur et à mesure qu’on la recycle. Si cela a très peu d’effets sur les propriétés mécaniques des pièces réalisées par exemple en Inconel, c’est beaucoup plus sensible pour celles réalisées avec des poudres de titane, où l’augmentation du taux d’oxygène conduit à une baisse rapide des caractéristiques mécaniques de la pièce réalisée. »

« Enfin, il peut aussi y avoir de la vaporisation de certains des éléments qui constituent la poudre, entrainant par exemple la diminution progressive du taux d’un élément de la poudre au fur et à mesure des fusions. »

« D’autre part, même si le balayage laser est très précis, il peut y avoir des projections qui entrainent des fusions partielles de particules de poudre non utilisées. On constate ainsi qu’au fil des recyclages et des tamisages de la poudre, on tend à éliminer les particules de plus petites tailles. « C’est la morphologie même des grains qui change. Là où vous aviez des grains plutôt ronds au départ, on a du ‘‘satellitage’’, donc des grains qui se fusionnent un petit peu entre eux. Ce qui augmente la granulométrie moyenne de la poudre. Heureusement l’étude menée dans le cadre de CLIP-FAM a montré que cela avait peu d’impact sur les pièces fabriquées. »

Valider le bon étalement

Outre le vieillissement chimique et physique de la poudre, le process d’étalement de celle-ci lors des phases de stratification est important. C’était le second axe de recherche du projet CLIP-FAM. « Lorsque le racleur entraîne la poudre et vient l’étaler sur un plateau, l’homogénéité de ce lit de poudre est un paramètre important. Il ne faut pas qu’il y ait localement des manques de matière ou des amas de poudre qui, lors de la fusion, pourraient entrainer des porosités dans la pièce. C’est pour cela que nous avons développé et mis en place un banc d’essais, mettant la poudre en mouvement de la même façon que sur les machines. Il permet de mesurer ‘‘l’étalabilité’’ des poudres. Un terme qui n’existe pas dans le dictionnaire, mais qui exprime parfaitement la capacité de la poudre à se mettre en forme et à créer un lit homogène. »

Un autre paramètre à prendre en compte est la stratégie d’utilisation d’un lot de poudre. « Soit on remplit le bac de la machine avec de la poudre neuve et on l’utilise jusqu’à ne plus en avoir assez pour imprimer de nouvelles pièces, avec des tamisages réguliers entre chaque impression pour éliminer les grains ayant subi trop de surfusion et garantir la qualité et l’homogénéité de la poudre. Soit on rafraîchit le lot de poudre après chaque impression, en y ajoutant un volume de poudre neuve équivalent à celui des pièces imprimées. Mais effectivement dans ce cas toutes les particules de la poudre n’ont pas le même nombre de cycle d’utilisation. Les deux cas d’utilisation ont été évalués par les industriels et le laboratoire Crismat, sans noter de différences majeures sur l’évolution de la qualité de la poudre et la tenue mécanique des pièces réalisées. »

Soigner le parachèvement

Pour obtenir des données fiables, CLIP-FAM a mené des campagnes d’essais de 50 recyclages, ce qui est déjà un très bon taux chez les industriels utilisant régulièrement la fabrication additive. « Les résultats obtenus montrent que la qualité des poudres testées (Inconel 718 ; Acier Inoxydable 316L ; Alliage Nickel-Chrome Ni20Cr ; Alliage d’aluminium haute température Al2139) reste dans les normes industrielles couramment admises et que les pièces réalisées ne souffrent pas de dégradations de leurs performances mécaniques. Ces essais, qui ont rassurés les industriels quant à la robustesse de leurs pratiques de recyclage, ont aussi montré la prépondérance du parachèvement des pièces (traitements thermiques, traitements de surfaces, usinage…) notamment par rapport à leur tenue en fatigue, qui est beaucoup plus dépendante de la rugosité des surfaces que de la baisse de qualité des poudres. »

Vers une normalisation

Le projet CLIP-FAM a, d’une part, contribué à faire monter en compétences les acteurs du consortium, les experts en normalisation, mais également l’ensemble de la communauté de la fabrication additive. D’autre part, ses résultats ont aussi contribué à la rédaction de trois projets de normes :

• ISO/ASTM 52913 : Caractéristiques et performances du procédé – Méthodes d’essai normalisées pour la caractérisation des propriétés d’écoulement de la poudre.
• ISO/ASTM 52913-1 : Corrélation de la mesure du tambour rotatif avec la capacité d’étalement de la poudre dans les machines PBF-LB.
• ISO/ASTM 52928 : Assurance qualité des poudres : Powder life cycle management.

De plus, un guide des Bonnes Pratiques et Spécifications des poudres pour la fabrication additive a été réalisé, retraçant les spécifications à utiliser pour :

• La sécurité (les poudres métalliques étant des produits dangereux) ;
• L’approvisionnement et les spécifications de poudres métalliques (en identifiant les paramètres clés à mettre sous contrôle) ;
• Le cycle de vie des poudres de la manutention à la réutilisation et au recyclage

Booster la Fabrication Additive

L’augmentation du nombre de recyclages, dans le respect des bonnes pratiques, permet des gains de matières premières non négligeables et donc une diminution des coûts de la fabrication additive, tout en réduisant l’impact environnemental du procédé. Ce sera maintenant d’autant plus facile qu’il existe un banc d’essais et des procédures de contrôle qualité standardisées permettant d’évaluer régulièrement le niveau de qualité d’une poudre. Et bientôt des normes…

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : https://www.nae.fr/category/nae/cp/