´ Vision academique pour la fabrication additive ´ et perspectives a` l’EPFL Activites Eric Boillat1 1 Laboratoire
´ es ´ de Production de Gestion et Proced ´ ´ Institut 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
´ scientifiques pour les proced ´ es ´ additifs Defis
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 chaˆınes logistiques
• Entreprise virtuelle • Planification de la production • Integration des aspects humains ´ • Modelisation et simulation ´ • Outils d’aide a` la decision
´ es ´ de production : Proced •
´ es ´ de fabrication traditionnels (ablatifs, replicatifs) Proced
´ es ´ de fabrication additifs • Proced ´ • Fusion/frittage selectif par laser
-
´ ´ es ´ de production Modelisation et simulation des proced - Outillage rapide - Fabrication rapide - Optimisation thermique d’outils
´ Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015
´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
´ ´ Competences specifiques du LGPP Gestion de production : •
Gestion des chaˆınes logistiques
• Entreprise virtuelle • Planification de la production • Integration des aspects humains ´ • Modelisation et simulation ´ • Outils d’aide a` la decision
´ es ´ de production : Proced •
´ es ´ de fabrication traditionnels (ablatifs, replicatifs) Proced
´ es ´ de fabrication additifs • Proced ´ • Fusion/frittage selectif par laser
-
´ ´ es ´ de production Modelisation et simulation des proced - Outillage rapide - Fabrication rapide - Optimisation thermique d’outils
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´ Presentation Defis Projets
´ liees ´ aux proced ´ es ´ additifs Activites Equipements SLS disponibles au LGPP
Machine experimentale
EOSINT M250
•laser CO2
• laser Nd :YAG pulse´ ou Ytterbium-fiber CW ` controllee ´ • atmosphere
• poudre bronze
• Ti, Ni, Au, Ag, 316L, H13,. . .
• couches de 50µm
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• couches jusau’a` 20µm
´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
´ Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD) ` ´ Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees ´ Defis
Projets courants
B´en´efices pour le proc´ed´e
´ (a) Maˆıtrise de nouveaux materiaux ´ Composite a` matrice metallique ´ Combinaison de materiaux
optimisation des pi`eces nouvelles applications
´ ` (b) Amelioration de la qualite´ des pieces Diminution des contraintes thermiques ´ ´ Amelioration precision/qualit e´ de surface Augmentation de la productivite´ accrue
r´ed. des travaux de finition r´ed. des coˆuts, des d´echets nouvelles applications
´ ˆ (c) Developpement de techniques de controle ˆ de la poudre et de sa deposition ´ Controle ˆ de la consolidation de la poudre Controle ´ ´ Strategie de retroactions
´ Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015
´ Vision academique
fiabilit´e certification des pi`eces
´ Presentation Defis Projets
´ Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD) ` ´ Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees ´ Defis
Projets courants
B´en´efices pour le proc´ed´e
´ (a) Maˆıtrise de nouveaux materiaux ´ Composite a` matrice metallique ´ Combinaison de materiaux
optimisation des pi`eces nouvelles applications
´ ` (b) Amelioration de la qualite´ des pieces Diminution des contraintes thermiques ´ ´ Amelioration precision/qualit e´ de surface Augmentation de la productivite´ accrue
r´ed. des travaux de finition r´ed. des coˆuts, des d´echets nouvelles applications
´ ˆ (c) Developpement de techniques de controle ˆ de la poudre et de sa deposition ´ Controle ˆ de la consolidation de la poudre Controle ´ ´ Strategie de retroactions
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fiabilit´e certification des pi`eces
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´ Principaux defits pour SLS-SLM(-EBM-DMD) ` ´ Liste des problemes ouverts et des directions de recherche associees ´ Defis
Projets courants
B´en´efices pour le proc´ed´e
´ (a) Maˆıtrise de nouveaux materiaux ´ Composite a` matrice metallique ´ Combinaison de materiaux
optimisation des pi`eces nouvelles applications
´ ` (b) Amelioration de la qualite´ des pieces Diminution des contraintes thermiques ´ ´ Amelioration precision/qualit e´ de surface Augmentation de la productivite´ accrue
r´ed. des travaux de finition r´ed. des coˆuts, des d´echets nouvelles applications
´ ˆ (c) Developpement de techniques de controle ˆ de la poudre et de sa deposition ´ Controle ˆ de la consolidation de la poudre Controle ´ ´ 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
B´en´efices pour le proc´ed´e
´ (a) Maˆıtrise de nouveaux materiaux ´ Composite a` matrice metallique ´ Combinaison de materiaux
optimisation des pi`eces nouvelles applications
´ ` (b) Amelioration de la qualite´ des pieces Diminution des contraintes thermiques ´ ´ Amelioration precision/qualit e´ de surface Augmentation de la productivite´ accrue
r´ed. des travaux de finition r´ed. des coˆuts, des d´echets nouvelles applications
´ ˆ (c) Developpement de techniques de controle ˆ de la poudre et de sa deposition ´ Controle ˆ de la consolidation de la poudre Controle ´ ´ 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
B´en´efices pour le proc´ed´e
´ (a) Maˆıtrise de nouveaux materiaux ´ Composite a` matrice metallique ´ Combinaison de materiaux
optimisation des pi`eces nouvelles applications
´ ` (b) Amelioration de la qualite´ des pieces Diminution des contraintes thermiques ´ ´ Amelioration precision/qualit e´ de surface Augmentation de la productivite´ accrue
r´ed. des travaux de finition r´ed. des coˆuts, des d´echets nouvelles applications
´ ˆ (c) Developpement de techniques de controle ˆ de la poudre et de sa deposition ´ Controle ˆ de la consolidation de la poudre Controle ´ ´ 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
B´en´efices pour le proc´ed´e
´ (a) Maˆıtrise de nouveaux materiaux ´ Composite a` matrice metallique ´ Combinaison de materiaux
optimisation des pi`eces nouvelles applications
´ ` (b) Amelioration de la qualite´ des pieces Diminution des contraintes thermiques ´ ´ Amelioration precision/qualit e´ de surface Augmentation de la productivite´ accrue
r´ed. des travaux de finition r´ed. des coˆuts, des d´echets nouvelles applications
´ ˆ (c) Developpement de techniques de controle ˆ de la poudre et de sa deposition ´ Controle ˆ de la consolidation de la poudre Controle ´ ´ Strategie de retroactions
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´ Presentation Defis Projets
´ Nouveaux materiaux ˆ ´ Fenetre operationnelle : ´ Param. operat.
´ Carac. materiaux
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k , diffusivite´ therm. η √ vω AP0 H > 2 π(Tmelt − Tpr−heat ) kω 2η 560
puissance laser P0 , W
480
400
320
240
160
80
vitesse de balayage v , mm/s
0 0
600
1200
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1800
2400
3000
´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
´ Nouveaux materiaux ˆ ´ Fenetre operationnelle : ´ Param. operat.
´ Carac. materiaux
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k , diffusivite´ therm. η √ vω AP0 H > 2 π(Tmelt − Tpr−heat ) kω 2η 560
puissance laser P0 , W
480
400
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vitesse de balayage v , mm/s
0 0
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´ Nouveaux materiaux ˆ ´ Fenetre operationnelle : ´ Param. operat.
´ Carac. materiaux
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k , diffusivite´ therm. η √ vω AP0 H > 2 π(Tmelt − Tpr−heat ) kω 2η 560
puissance laser P0 , W
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vitesse de balayage v , mm/s
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´ Nouveaux materiaux ˆ ´ Fenetre operationnelle : ´ Param. operat.
´ Carac. materiaux
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k , diffusivite´ therm. η √ vω AP0 H > 2 π(Tmelt − Tpr−heat ) kω 2η 560
puissance laser P0 , W
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Pmin vitesse de balayage v , mm/s
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´ Nouveaux materiaux ˆ ´ Fenetre operationnelle : ´ Param. operat.
´ Carac. materiaux
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k , diffusivite´ therm. η √ vω AP0 H > 2 π(Tmelt − Tpr−heat ) kω 2η 560
puissance laser P0 , W
480
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Plaser 240
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Pmin vitesse de balayage v , mm/s
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vmax 1800
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´ Nouveaux materiaux ˆ ´ Fenetre operationnelle : ´ Param. operat.
´ Carac. materiaux
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k , diffusivite´ therm. η √ vω AP0 H > 2 π(Tmelt − Tpr−heat ) kω 2η 560
puissance laser P0 , W
480
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Plaser 240
160
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Pmin vitesse de balayage v , mm/s
0 0
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vmax 1800
2400
3000
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´ Presentation Defis Projets
´ ˆ des poudres Nouveaux materiaux et controle ´ ´ Developpement de differents instruments de diagnostic des poudres Mesures d’absorptivite´
` • couplage laser-matiere
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Mesures de conductivite´
´ • dynamique de la diffusion d’energie
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´ Presentation Defis Projets
´ ` Nouveaux materiaux et optimisation des pieces ˆ ´ Fenetre operationnelle : ` Parametres ´ operationnels ´ Caracteristiques ´ materiaux
du
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k ,
diffusivite´ therm. η
AP0 H kω
vω 2η
√ > 2 π(Tmelt − Tpr−heat )
Cette formule : ´ ` (i) ne tient pas compte des phenom enes 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. ´ Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015
´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
´ ` Nouveaux materiaux et optimisation des pieces ˆ ´ Fenetre operationnelle : ` Parametres ´ operationnels ´ Caracteristiques ´ materiaux
du
puissance laser P0 ,
vitesse de balayage v
rayon du faisceau ω,
´ temp. de prechauffage Tpr−heat
temp. de fusion Tmelt ,
absorption e-m A
conductivite´ therm. k ,
diffusivite´ therm. η
AP0 H kω
vω 2η
√ > 2 π(Tmelt − Tpr−heat )
Cette formule : ´ ` (i) ne tient pas compte des phenom enes 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. ´ Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015
´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
` Optimisation des pieces ´ ` el ´ ements ´ Developpement d’un modele finis : ´ Entree
• strat. de balayage, param. laser ´ es ´ therm. de la poudre • propriet ´ es ´ meca. ´ • propriet de la poudre
Sortie
´ ´ etrie ´ ` • champ de temperature/g eom de la piece ´ • contraintes thermiques/deformations • microstructures
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´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
` Optimisation des pieces ´ ´ MEF : predictions des microstructures et des contraintes residuelles :
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´ Vision academique
´ 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 , rayon du faisceau ω,
vitesse de balayage v ´ temp. de prechauffage Tpr−heat
´ Prop. mecaniques
as from [1]
as from [1]
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´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
ˆ en ligne du proced ´ e´ Controle ´ ´ Developpement d’un dipositif de vision en temps reel laser ´ emission IR depuis le lit laser CMOS +filtres +objectif
tension photodiode
photodiode ˆ tete
ou
galva.
CMOS miroir dichroique
´ separateur de faisceau
obj, filtres
lit de pdre bain liquide
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´ Presentation Defis Projets
ˆ en ligne du proced ´ e´ Controle ´ ´ Developpement d’un dipositif de vision en temps reel
ˆ du proced ´ e, ´ certification des pieces ` • Controle ˆ avec retroaction ´ • Controle sur la puissance ou la vitesse de balayage ´ Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015
´ Vision academique
´ Presentation Defis Projets
ˆ du proced ´ e´ (piece ` et lit de poudre) Controle ´ ´ ´ sur les courants de Foucault Methodes de detection basees
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´ Presentation Defis Projets
´ erences ´ Ref 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 selective laser melting. Metals, 4(1) :28–36, 2014.
´ Paris, Academie des technologies, 8 avril 2015
´ Vision academique
