Dissertations / Theses: 'Fabrication additive laser'

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Cherri, Alexis. "Poudres PEKK pour la fabrication additive par fusion laser." Thesis, Paris, HESAM, 2022. http://www.theses.fr/2022HESAE031.

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Abstract:

De nos jours, la course au développement de matériaux toujours plus innovants et performants fait subir une constante pression à un grand nombre de secteurs industriels. Parmi eux, l’aéronautique, l’aérospatial, les secteurs de transport et de production d’énergie cherchent à alléger la structure de leurs équipements afin d’en réduire la consommation en énergie et minimiser leur empreinte environnementale. Cet allègement se traduit généralement par la conversion des matériaux métalliques et denses vers des matériaux plastiques et plus légers. La spécificité de ces domaines d’utilisation, ainsi que les conditions de température, de pression, et de vieillissement accéléré auxquelles sont contraints certains de leurs équipements imposent néanmoins un cahier des charges très précis. Le procédé de frittage sélectif par laser (également appelé SLS), récemment mis en œuvre pour la fabrication de pièces thermoplastiques, constitue un grand intérêt pour ces différents secteurs d’activité dans lesquels des pièces sur mesure et à géométrie complexe sont requises. Ce procédé consiste à la fabrication couche par couche de pièces par fusion sélective de grains de poudre à l’aide d’un laser. Le PEKK, copolymère thermoplastique semi-cristallin de hautes performances, valide de nombreux critères lui permettant d’être, depuis quelques années, utilisé dans la fabrication de pièces par SLS. Cependant, la connaissance encore limitée que nous avons de ce polymère complexe, ainsi que sa structure de type copolymère, nécessitent encore à ce jour un travail de recherche conséquent. Cette thèse a eu ainsi pour but, sur une famille de PEKK déjà commercialisée, d’approfondir nos connaissances des propriétés de cristallisation et de fusion qui jouent un rôle essentiel dans la fabrication de pièces par la technologie SLS. Un deuxième objectif était de développer une nouvelle famille de copolymères PEKK à structure régulière. Afin de comprendre au mieux les propriété s de cristallisation de nos polymères, un modèle a été utilisé et une mise en commun de données SAXS / WAXS, DSC et rhéologiques est réalisée. La voie d’une utilisation en SLS d’une nouvelle famille de PEKK à chaîne alternée, jusque-là très peu explorée, a également été étudiée
Nowadays, the need to develop ever more innovative and efficient materials puts constant pressure on a large number of industrial sectors. Among them, aeronautics, aerospace, transport and energy production sectors seek to lighten the structure of their equipment in order to reduce energy consumption and minimize their environmental footprint. This reduction generally results in the conversion of metallic and dense materials towards plastic and lighter materials. The specificities of these industrial sectors, as well as the conditions of temperature, pressure, and accelerated aging to which some of their equipment are constrained, impose very precise specifications. The selective laser sintering process (also called SLS), recently implemented for the manufacture of thermoplastic parts, is of great interest for these different sectors of activity in which custom-made parts with complex geometry are often required. This process consists of the layer-by-layer manufacturing of parts by selective melting of powder by a laser beam. PEKK, a high performance semi-crystalline thermoplastic copolymer, validates many of the criteria for use in SLS manufacturing. However, the still limited knowledge that we have of this polymer, as well as its copolymer-like structure, still require substantial research work to this day. The aim of this work was to deepen our knowledge of the properties of crystallization and melting of a commercially available PEKK grade designed for use in SLS. These properties are of key importance for the successful implementation of the SLS process. A second objective was to develop a new grade of PEKK copolymers with a regular structure. In order to better understand the crystallization properties of our polymers, a model was used and a combination of SAXS / WAXS, DSC and rheological studies is carried out. The way of using in SLS the new grade of PEKK, hitherto very little explored, was also studied. We demonstrated that the copolymer with the regular chain structure exhibits a much simpler crystallization mechanism and a higher crystallization enthalpy which may be a advantage for use in SLS

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Kovaleva, Irina. "Simulation numérique des procédés de fabrication additive: projection laser et fusion laser sélective." Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne), 2015. http://www.theses.fr/2015ENISE031.

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Abstract:

Le travail est consacrée au développement des méthodes de modélisation mathématique d’interaction du laser avec les matières et avec les milieux poreux, appliquées aux technologies de fabrication additive des pièces tridimensionnelles. Le procédé de projection laser souffre des instabilités et des défauts des pièces et des revêtements obtenus telle que la fissuration, la liquation, les contraintes résiduelles, etc. A l’heure actuelle, la théorie générale de ce procédé n’existe pas. Un grand nombre des paramètres influence sur la projection laser, telles que les paramètres laser (la puissance, le diamètre du faisceau, la vitesse de balayage, etc. ), les paramètres de la poudre et ceux de l’écoulement de gaz. C’est pourquoi la recherche expérimentale des régimes technologiques optimaux devient un problème compliqué. L’actualité du travail est dans la nécessité de réaliser des calculs et pronostics des régimes rationnels du traitement laser, face aux demandes de qualité des pièces fabriquées et à l’optimisation des procédés. Nous avons effectué une étude détaillée des paramètres de flux de gaz et de poudre pour les buses coaxiales différentes. Les paramètres du jet de poudre dépendent de: la configuration géométrique, la taille des canaux de sortie de la buse, la composition de la poudre, sa diffusion, les caractéristiques de l'interaction des particules avec les parois de la buse. Nous avons développé un modèle physico-mathématique d’accélération des particules de poudre dans le champ lumineux du rayonnement laser constant ; celui-ci est présent dans les conditions du rechargement de poudre par laser moyennant la pression du rappel des vapeurs du métal, provenant de la partie exposée de la particule. Nous avons proposé la méthodologie de calcul de l’empilement primaire de particules sphériques polydispersées ; compte tenu de la force du poids et de l’adhésion entre les particules en contact, elle permet d’obtenir une structure intérieure de la couche déposée proche à la structure réelle. Nous avons développé un modèle discret de description des processus de transfert de chaleur et de masse dans la couche de poudre déposée, applicable dans les conditions d’impact local du laser lors de la fusion et du frittage sélectifs par laser. Les modèles physico-mathématiques et les résultats proposés ont une importance pratique et portent un caractère novateur. La crédibilité des études réalisées au niveau qualitatif se coordonne avec les données des essais
This work is devoted to development of mathematical modeling methods of laser interaction with materials and porous media, used in the additive technologies for the production of volume products. The process of laser cladding suffers from faults and defects of parts and coatings obtained such as cracks, exudations, residual stresses and etc. Currently, the general theory of this process does not exist. A large number of parameters affect the laser cladding such as laser parameters (power, beam diameter, scanning speed, etc. ), parameters of powder and gas flow. Therefore, experimental investigations of optimum technological modes become the complex problem. The relevance of this work is the need to perform calculations and predictions of rational modes of laser treatment, due to the increasing quality requirements of manufactured parts and technological processes optimization. We investigated in details the parameters of the gas stream and the powder for different coaxial nozzles. The parameters of powder jet essentially depends on the geometrical configuration and the size of output nozzle channels and also the composition of the powder, its dispersion and features of particles interaction with the walls of nozzle. We developed a physical-mathematical model of acceleration of powder particles in the light field of a permanent laser radiation in the conditions of laser cladding owing to the force caused by the reaction of the material–vapor recoil from the beamed part of the particle. We proposed a calculation method of random packing of polydisperse spherical particles which allows, taking into account the weight force and adhesive force between the particles in contact, to obtain the internal structure of loose powder layer close to the real. Discrete model is developed to describe the processes of heat and mass transfer in loose powder layer, which is applicable in the conditions of local laser irradiation in selective laser melting and selective laser sintering. Physico-mathematical models proposed in this work and results of calculations are new and have a practical relevance. The reliability of spent researches is consistent qualitatively with experimental data

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Sakly, Adnene. "Fabrication additive de pièces à base d'alliages métalliques complexes." Thesis, Université de Lorraine, 2013. http://www.theses.fr/2013LORR0008/document.

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Abstract:

Cette étude s'inscrit dans le cadre du développement de nouveaux matériaux pour la fabrication additive. Notre objectif est la fabrication de pièces comprenant un alliage métallique complexe (CMA) à l'aide d'un laser UV de stéréolithographie. L'alliage choisi est un alliage quasicristallin dominé par une phase icosaédrique du système AlCuFeB. Des poudres brutes d'atomisations ont été caractérisées par diffractions des rayons X et analyse thermique différentielle. Nous avons montré une bonne absorbance optique de la poudre dans le domaine UV-visible qui rend possible un début de frittage sous l'effet du laser correspondant à la formation de pontages entre les grains à une température d'environ 820°C. Concernant la fabrication à partir d'une suspension de poudres dans un liant, nous avons étudié les propriétés de mouillage des particules AlCuFeB et optimisé un mélange avec une résine époxy chargée par 20 % vol. de particules CMA. L'absorption optique de la suspension dans le domaine UV est suffisante pour fabriquer une pièce composite par stéréolithographie. La granulométrie utilisée est inférieure à 25 µm. Nous avons ainsi réussi à fabriquer des pièces de 14 mm de hauteur, en additionnant des couches de 50 µm. À partir des pièces réalisées, nous avons caractérisé la dureté et les propriétés tribologiques de ce nouveau matériau composite. La dureté des pièces ainsi fabriquées est supérieure à celle de la résine seule et atteint 88 Shore D. Nous avons également mis en évidence une amélioration de 30 % du coefficient de frottement et une diminution du volume d'usure de 40 % par rapport au matériau de la matrice époxy. Ces propriétés rendent attractif ce nouveau matériau composite pour la fabrication par stéréolithographie
This study aimed at developing new materials for additive manufacturing. We focused on producing parts containing complex metallic alloys (CMA) using a UV laser used for stereolithography. The selected intermetallic is a quasicrystalline alloy dominated by the icosahedral phase in the system AlCuFeB. The raw powders produced by gas atomization were characterized by X-ray diffraction and differential thermal analysis. The powders exhibit good optical absorption properties in the UV-visible range allowing direct laser sintering as evidenced by the formation of bridges between the grains at a temperature of about 820°C. In a second step, we have considered the manufacturing of parts made of a suspension of CMA powders in a binder. We have studied the wetting properties of the particles AlCuFeB and optimized a mixture consisting of an epoxy resin filled with 20 % vol. of CMA particles. The optical absorption of the suspension in the UV range was sufficient to produce composite parts by stereolithography. The particle size used was smaller than 25 micrometers. We have managed to make parts reaching 14 mm in height by adding layers with a thickness of 50 microns. Using test samples, we have characterized the hardness and the tribological properties of this new composite material. The hardness of the parts produced by stereolithography is larger than that of epoxy parts and reaches 88 Shore D. We have also shown a 30 % reduction of the friction coefficient as well as a 40 % reduction of wear losses compared to the epoxy matrix. These properties make attractive this new composite material for stereolithography applications

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Andreau, Olivier. "Nocivité en fatigue et contrôle de défauts produits par fabrication additive." Thesis, Paris, ENSAM, 2019. http://www.theses.fr/2019ENAM0037.

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Abstract:

Le procédé de fusion laser sélective de lit de poudre, également appelé SLM, permet de fabriquer des pièces métalliques en fusionnant des couches de poudre. Cette méthode novatrice donne accès à un large éventail de pièces aux géométries complexes, permettant notamment d’alléger les structures. Toutefois, la bonne tenue mécanique de ce type de pièces, en particulier dans le domaine de la fatigue, reste un enjeu industriel majeur. Les pièces élaborées par SLM peuvent en effet contenir des pores (débouchants ou internes) pouvant détériorer leurs propriétés mécaniques. Les travaux réalisés ont pour but de caractériser l’influence de défauts poreux sur l’endurance en fatigue à grand nombre de cycles de pièces en acier 316L fabriquées par SLM, et s’articulent autour de trois parties. La première consiste à identifier les paramètres de fabrication SLM contrôlant la densification et la microstructure des pièces. Une distinction sera faite entre les différents types de pores créés, dont la morphologie et les dimensions dépendent des conditions énergétiques de l’interaction laser-matière. Les pores créés seront mis en perspective par la microstructure du matériau brut, dont l’orientation cristallographique et la taille de grain est principalement reliée au recouvrement et la morphologie des cordons. Le deuxième aspect des travaux a consisté à utiliser les résultats de la recherche paramétrique pour générer des éprouvettes de fatigue contenant différentes populations de défauts aléatoires (stochastiques) internes observées en tomographie à rayons X, tout en conservant des microstructures similaires. L’influence relative des populations de défauts internes créées sur l’endurance en fatigue est quantifiée et comparée à la tenue d’éprouvettes optimisées contenant un taux de porosité minimal. Enfin, des défauts modèles internes (déterministes) aux dimensions variables, et dont la position et la morphologie sont contrôlées, ont été générés après optimisation paramétrique dans des pièces denses. Un seuil d’amorçage sur défaut interne par rapport aux défauts de surface a ainsi pu être dégagé, et pourrait être lié à l’environnement gazeux local lors de l’amorçage et la propagation de la fissure
The Selective Laser Melting Process (SLM) consists in manufacturing metallic parts by melting successive powders layers. This new additive manufacturing method allows building new complex geometries that can help lighten structures, such as lattice parts. However, the mechanical properties of additive manufacturing parts are still an industrial concern, especially for high cycle fatigue behavior. Such parts can indeed comprise surface and internal pores that can be deleterious to mechanical properties. The goal of this thesis is to characterize the influence of porous defects on the high cycle fatigue fatigue performance of 316L SLM parts. Firstly, some key SLM parameters that can control the porosity and the microstructure of fabricated parts were quantified. A distinction between the pore types was proposed, and their characteristics were related to the volumetric energy density delivered by the laser. The microstructure was also investigated, with a focus on crystallographic orientation and grain size, depending on the melt pool overlap and morphology. Secondly, using X-ray tomography, a parametric research was conducted to generate and characterize optimized fatigue samples with a minimal amount of pores. Such samples were used as a reference for other fatigue samples containing various randomly distributed pore populations, with similar microstructures. The relative influence of different internal pore populations on the high cycle fatigue endurance was quantified, for similar surface pore population. Finally, deterministic pores with controlled morphology, position and various dimensions were generated after a detailed parametric optimization. A specific internal crack initiation threshold was evidenced for deterministic defects, which was supposed to be linked to the local gaseous environment during crack initiation and propagation

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Pouzet, Sébastien. "Fabrication additive de composites à matrice titane par fusion laser de poudre projetée." Thesis, Paris, ENSAM, 2015. http://www.theses.fr/2015ENAM0051/document.

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Abstract:

Les composites à matrice titane (CMTi) sont des matériaux attractifs pour des applications aéronautiques, en raison de leurs performances mécaniques à haute température et de leur faible densité. La difficulté d’usiner ce type de matériaux rend les procédés de fabrication additive intéressants pour la fabrication de pièces complexes en trois dimensions. Cette étude porte sur l'élaboration de composites à matrice titane par le procédé de fabrication additive par fusion laser de poudre projetée. Dans un premier temps, différents types de poudres- renfort et de préparations de poudre ont été utilisés pour faciliter la mise en œuvre du procédé additif, dans le but d’obtenir des microstructures homogènes. Dans un second temps, l’étude s’est concentrée sur le mélange Ti-6Al-4V / B4C formant des renforts TiB et TiC par voie in-situ dans une matrice de Ti-6Al-4V. Les mécanismes de formation des microstructures obtenues ont pu être expliqués puis une étude des propriétés mécaniques (dureté, module d’Young et comportement sous une sollicitation en traction à chaud et à l’ambiante) a été réalisée afin d’évaluer l’effet du renforcement sur les propriétés mécaniques du matériau. Parmi les résultats importants ce cette étude, la présence de taux de carbone élevés en solution solide dans la matrice de titane a été évoqué comme étant le facteur prédominant dans l'augmentation des propriétés mécaniques avec le taux de B4C
Titanium matrix composites are attractive materials for aeronautical applications, mainly because of their superior mechanical resistance at elevated temperature, combined with a low density. The critical machinability of such composites makes additive manufacturing processes particularly adapted for building complex 3D shapes. This study has been focused on the Direct Metal Deposition (DMD) of Metal matrix composites. In a first step, various powders and powder blends have been carried out in order to facilitate the DMD process and to obtain homogeneous microstructures. Following this, Ti-6Al-4V / B4C powder blends, allowing to obtain TiB + TiC particles distributed in the Ti matrix were more specifically considered. Metallurgical mechanisms involved in the formation of microstructures were identified prior to an investigation on mechanical properties at ambient and elevated temperature for various DMD process conditions and particle concentrations. Among the most interesting results of this study, the influence of a high carbon content solubilized in the Ti-matrix was considered as a dominant factor to explain the evolution of mechanical properties with increased amounts of reinforcements

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Constantin, Loic. "Fabrication additive assisté laser de matériaux composites 3D et revêtement diamant par CVD." Thesis, Bordeaux, 2020. http://www.theses.fr/2020BORD0066.

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Abstract:

L'augmentation constante de la fréquence de travail des dispositifs à base de semi-conducteurs avec leur miniaturisation a conduit à une surchauffe sévère, qui affecte leur durée de vie et leur fiabilité. Par conséquent, la gestion thermique est devenue une préoccupation importante dans le domaine microélectronique et doit être abordée. Le diamant (D) est connu pour être un excellent matériau pour la dissipation thermique car il possède l'une des conductivités thermiques les plus élevées de tous les matériaux naturels et possède une résistivité électrique élevée. D peut refroidir les puces électroniques de deux manières. Lorsqu'il est utilisé sous forme de film, D agit comme un diffuseur de chaleur. Lorsqu'ils sont utilisés sous forme de poudre, les Ds peuvent être introduits dans les métaux pour améliorer leur conductivités thermiques (TC) et apporter une stabilité dimensionnelle à des températures élevées. Les matériaux composites métal / D résultants sont ainsi d'excellents composants pour former des dissipateurs thermiques. Naturellement, les performances thermiques des dissipateurs thermiques sont étroitement liées à leur surface. Malgré l'attrait des matériaux à base de D en termes de performances thermiques, ils présentent souvent une géométrie simple, principalement en raison de la complexité d’usiner des matériaux à base de D dans des formes complexes. L'impression laser 3D est une méthode émergente de fabrication de géométrie sophistiquées et a donné des résultats prometteurs pour divers métaux et alliages. Dans cette étude, l'impression 3D laser de matériaux composites cuivre / D est proposée pour fabriquer des structures complexes de Cu / D qui pourraient remodeler leurs applications. Avant de fabriquer des matériaux composites Cu / D de manière additive, plusieurs défis doivent être relevés. Premièrement, la fabrication additive de Cu pur est optimisée et caractérisée. Puis, faute d'une affinité chimique entre Cu et D, une interphase est introduite dans le matériau composite. Plus tard, un procédé de revêtement de sel fondu est étudié pour produire un revêtement gradué et multicouche d'oxyde / carbure et de carbure / carbure, respectivement, sur des matériaux carbones. Ensuite, la fabrication additive de structures composites Cu / D est présentée. Enfin, le dépôt des films D est réalisé avec une flamme oxyacétylénique assistée laser. Les effets de l'introduction de lasers ultraviolets dans la flamme sont caractérisés en termes de réaction chimique, de qualité du film D et de taux de croissance
The constant increase of the working frequency of semiconductor-based devices with their miniaturization led to severe overheating, which affect their lifetime and reliability. Hence, thermal management has become a significant concern for the microelectronic area and needs to be addressed. Diamond (D) is known to be an excellent material for thermal dissipation as it possesses one of the highest thermal conductivity (TC) of any natural material and has a high electrical resistivity. D can cool electronic chips in two ways. When used in the form of a film, D acts as a heat spreader. When utilized in powder-form, Ds can be introduced into metals to enhance their TC and bring dimensional stability at elevated temperatures. The resulting metal/D composite materials are thus, excellent component to form heat sinks. Naturally, the thermal performances of heat sinks are closely related to their surface area. Although the attractiveness of D-based materials in term of thermal performance, they often exhibit simple geometry mostly due to the complexity of machining D-based materials into intricated designs. Laser 3D printing is an emerging method of manufacturing sophisticated designs and has shown promising results for various metal and alloys. In this study, the laser 3D printing of copper/D composite materials is proposed to fabricate highly complex Cu/D structures which could remodel their applications. Before additively manufactured Cu/D composite materials, several challenges need to be addressed. First, the additive manufacturing of pure Cu is optimized and characterized. Then, due to a lack of a chemical affinity between Cu and D, the Cu-D interfacial zone is introduced in the composite material. Later, a molten salt coating process is studied to produced graded and multilayer coating of oxide/carbide and carbide/carbide, respectively, on carbon materials. Next, the additive manufacturing of highly sophisticated Cu/D composite structures is presented. Finally, the deposition of D films is performed by laser-assisted combustion flame. The effects of introducing ultraviolet lasers into the combustion flame are characterized in terms of chemical reaction and D film quality and growth rate

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François, Mathieu. "Conception pour la fabrication additive, par fusion laser sur lit de poudre, de composants hyperfrequences." Thesis, Paris, HESAM, 2020. http://www.theses.fr/2020HESAE008.

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Abstract:

Pendant de nombreuses années, les composants passifs hyperfréquences ont été utilisés dans des systèmes de communication notamment pour des chaînes d'alimentation d'antenne. Ce type d'équipement radiofréquence est déjà largement opérationnel dans différents domaines tels que les communications satellite, les radars, les observations spatiales etc. en raison de leurs avantages de faibles pertes ainsi que de leur capacité élevée de gestion d'énergie. Seulement, avec l'émergence de nouvelles technologies et une concurrence considérable sur le marché de la défense, les clients sont de plus en plus demandeurs de produits de moins en moins coûteux avec des délais d’obtention toujours plus courts, avec des exigences liées aux performances toutes aussi élevées.Ces dernières années, plusieurs institutions et industries se sont intéressées de plus en plus aux procédés de fabrication additive pour les composants à propagation guidée. Ne nécessitant pas de brut de matière ni d'outillage dédié, les technologies additives apportent de nouvelles perspectives de conception. En particulier, l'ajout de matière couche par couche autorise la fabrication de pièces monolithiques, qui permettraient d'alléger les équipements et de réaliser des économies de temps et de coûts. D'autre part, l'une des plus grandes promesses de la fabrication additive réside dans les degrés de liberté supplémentaires qu'elle offre en conception, permettant de concevoir des architectures complexes et innovantes aux performances accrues, qui seraient irréalisables par des techniques conventionnelles. A ce titre, la fabrication additive a été identifiée comme pouvant jouer un rôle crucial dans le développement de ce type de pièce.Cependant, comme tout procédé de fabrication, les procédés additifs possèdent leurs propres spécificités et contraintes liées aux phénomènes physiques mis en jeu au cours de la fabrication et dont il est nécessaire de tenir compte au cours de la phase de conception pour tirer pleinement profit des avantages qu'ils offrent. Ajoutées aux exigences hyperfréquences, le concepteur doit alors être en capacité d'identifier les liens qui existent entre les domaines de la conception, du procédé et électromagnétique pour garantir une pièce de qualité conforme au cahier des charges.L'objectif de ces travaux de thèse est double. Le premier consiste à identifier les spécificités du procédé de fusion laser sur lit de poudre qui influent majoritairement sur les performances électromagnétiques, de manière à y apporter une attention particulière en phase de conception. Le second porte sur l'élaboration d'une méthode qui intègre les contraintes et opportunités de la fabrication additive tout en répondant aux objectifs, globaux et locaux, issus du cahier des charges hyperfréquences de manière à fabriquer des composants opérationnels
For many years, passive microwave waveguide components have been used in communication systems, particularly for antenna feed chains. This kind of radiofrequency equipment is already widely operational in various fields such as satellite communications, radars, space observations, etc. Because of their low loss as well as their high energy management capacity. However, the emergence of new technologies and the significant degree of competition that occurs within the defense market, customers are increasingly calling for lower-cost products, shorter lead times, with requirements equally high.Over the past years, several institutions and industries have become more and more interested in additive manufacturing processes for passive waveguide components. Without any need for raw material or dedicated tools, additive technologies bring some new design perspectives. In particular, the addition of material layer by layer promotes the manufacture of monolithic parts, which would contribute to lighten the weight of antennas and save time and costs. On the other hand, it offers additional degrees of freedom during the design stage, encouraging the development of complex and innovative architectures, resulting in increased performance, which would be unachievable by conventional techniques. As such, additive manufacturing has been identified as being able to play a crucial role in the development of this type of part.However, like any other manufacturing process, additive processes involve several physical phenomena and so have their own manufacturing specificities and constraints to consider during the design phase to benefit fully from all the potential of additive manufacturing. Combined with the microwave requirements, the designer must then be able to identify the correlation between design, process and electromagnetic to guarantee a quality part conforming to the specifications.The objective of this study is twofold. The first one consists of identifying the specificities of the laser beam melting process with a major influence on electromagnetic properties, in order to be able to pay special attention during the design phase. The second concerns the development of a method that incorporates the constraints and opportunities of additive manufacturing while meeting the objectives arising from the microwave specifications

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Ettaieb, Kamel. "Contribution à l'optimisation des stratégies de lagase en fabrication additive LPBF." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLN050.

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Abstract:

Au cours du procédé de fusion laser sur lit de poudre, la température atteinte dans une zone locale est susceptible de générer des gradients thermiques importants. Ces gradients conduisent à leur tour à l'apparition de contraintes résiduelles qui ont un effet sur les caractéristiques mécaniques de la pièce, provoquent des déformations, ainsi que des micro et macro fissures. Dans ce contexte, les trajectoires de lasage jouent un rôle fondamental sur le niveau et la distribution de la température au cours de la fabrication. Il est ainsi nécessaire de valider la génération des trajectoires au regard du comportement thermique induit par ce procédé.Cette thèse propose d'exploiter une méthode analytique pour développer un modèle qui permette d'analyser d'une manière rapide et efficace le comportement thermique dans la pièce lors de la fabrication. En effet, à partir d'une trajectoire de lasage donnée, d'un ensemble de paramètres liés au matériau de la pièce à fabriquer et de paramètres liés au procédé, l'outil développé effectue une simulation de la température en chaque point de la pièce, au cours de temps et de manière rapide, comparée aux autres logiciels de simulation thermique. En effet, afin de réduire le temps de calcul et l'espace mémoire utilisé pour une telle simulation, un ensemble de techniques d'optimisation a été mis en place.Le modèle proposé a été validé dans le cas de l'alliage Ti6Al4V par comparaison avec une simulation thermique par éléments finis obtenue par un logiciel industriel. Ensuite, les résultats de ce modèle sont confrontés aux résultats expérimentaux. Une fois le modèle validé, il a été mis en œuvre pour analyser des trajectoires couramment utilisées dans la littérature et dans l'industrie.Afin de réduire les gradients thermiques et améliorer la qualité des pièces, la solution proposée consiste à contrôler la température et la taille du bain de fusion. Pour se faire, le modèle thermique développé a été exploité pour moduler les paramètres du procédé au cours de la fabrication d'une part et pour développer une stratégie de lasage à pas adaptatif d'autre part
During manufacturing by Laser Powder Bed Fusion (LPBF), the achieved temperatures in local areas could generate significant thermal gradients. These gradients lead to the apparition of residual stresses which affect the mechanical characteristics of the part and may cause deformation, as well as micro and macro cracks. In this context, scanning paths play a fundamental role on temperature level and distribution during manufacturing. For that reason, it is necessary to validate the generation of trajectories considering the thermal behaviour induced by this process.The purpose of this PhD thesis is to use an analytical method in order to develop a model that allows a fast and efficient analysis of thermal behaviour, during part manufacturing. Indeed, with a given scanning path, material properties and process parameters, the developed tool performs a temperature simulation at each point of the part, over time and in a fast way, compared to other thermal simulation software. In order to reduce computation time and memory storage used for such a simulation, a set of optimization techniques has been proposed.The developed model has been validated in the case of the Ti6Al4V alloy through a comparison with a finite element thermal simulation obtained by industrial software. Then, the results of this model were compared to experimental results. Once validated, it has been implemented to analyze trajectories commonly used in the literature and industry.In order to reduce thermal gradients and improve part quality, the proposed solution consists in controlling the temperature and size of melt pool. For this purpose, the developed thermal model has been used to modulate the process parameters during manufacturing on the one hand and to develop an adaptive scanning strategy on the other hand

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Galy, Cassiopee. "Etude des interactions matériau/procédé en vue d'une optimisation des conditions opératoires du procédé de fabrication additive SLM sur des alliages d'aluminium pour des applications aéronautiques." Thesis, Bordeaux, 2019. http://www.theses.fr/2019BORD0106/document.

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Abstract:

La fusion laser sélective d’un lit de poudres (Selective Laser Melting – SLM) connait un véritable essor depuis quelques années,notamment en ce qui concerne la production de pièces métalliques. La faible densité des alliages d’aluminium, conjuguée à l’optimisation de conception rendue possible grâce aux procédés de fabrication additive, assure un gain de masse des structures conséquent, ce qui intéresse fortement les industriels des domaines automobile et aéronautique. Cependant, les propriétés finales des pièces aluminium fabriquées par SLM dépendent des nombreux défauts sont générés lors de la fabrication (porosités, fissuration à chaud, état de surface, …). Cette thèse s’intéresse aux moyens de mieux maîtriser ces problèmes en explorant trois axes : Une identification et sélection des méthodes de caractérisations adaptées aux spécificités des matériaux métalliques élaborés par les procédés de fabrication additive « lit de poudre » a été mise en place. Par exemple, la comparaison de différentes méthodes de détermination de la densité relative de pièces nous a permis de montrer les avantages et inconvénients de chacune des techniques employées ; Une étude du moyen de fabrication SLM a mis en évidence l’influence de différents facteurs (flux de gaz, position des éprouvettes sur le plateau de construction, méthodes de dépôt de la poudre) sur les propriétés finales des pièces produites.Ces éléments ont un impact sur la densité des pièces, leurs propriétés de surface et leurs propriétés mécaniques. Nous avons ainsi constaté que la façon de positionner une pièce sur le plateau est une étape de la préparation d’une fabrication à ne pas négliger ; Les études paramétriques menées sur deux types d’alliages d’aluminium, AlSi7Mg0,6 et AM205, ont montré que la composition chimique de l’alliage d’aluminium employé influence de façon non négligeable le jeu de paramètres opératoires à appliquer pour fabriquer une pièce de manière optimale. La densité d’énergie volumique ψ, rapport de la puissance laser avec le produit de la vitesse de lasage, de la distance inter-cordons et de l’épaisseur de couche, est utilisée de façon classique pour l’optimisation des conditions opératoires en SLM. Nos études expérimentales à différentes échelles (1D et3D) ont permis de mettre en évidence les limites de ce critère. La combinaison de ces résultats à la simulation numérique du lasage d’un cordon de poudre a servi de base à la définition d’un premier modèle dont l’objectif sera à terme d’optimiser le choix des paramètres de fabrication
Interest in selective laser melting (SLM) has been growing in recent years, particularly with regard to the production of metal parts.The low density of aluminum alloys, combined with the possible design optimization enabled by additive manufacturing processes,ensures a significant decrease in the mass of structures which is very interesting for manufacturers in the automotive and aerospaceindustries. However, it is difficult to control the final properties of aluminum parts manufactured by SLM because many defects, suchas porosity, hot cracking, and surface roughness, are generated during the process. To better understand how to optimize theperformance of SLM aluminium parts, several studies were conducted during this work: An identification and selection of characterization methods well-adapted to the specificities of metallic materials developedby powder bed additive manufacturing processes was established. For instance, the comparison of different methods ofdetermining the relative density of parts showed the advantages and disadvantages of each of the techniques; A study of the SLM machine highlighted the influence of various factors (gas flow, positions of specimens on the constructionplate, or methods of depositing the powder) on the final properties of the produced parts. These elements have an impacton the density of the parts, their surface properties, and their mechanical properties. We found that the positioning of a pieceon the tray is a critical step in the preparation of a build that is not to be neglected; Parametric studies carried out on two types of aluminum alloys—AlSi7Mg0,6 and AM205—have shown that the chemicalcomposition of the aluminum alloy used has a significant influence on the set of operating parameters required tomanufacture an acceptable aluminum alloy part. The energy density, ψ, which is the ratio of the laser power to the productof the lasing speed, the hatching distance, and the layer thickness, is conventionally used for the optimization of the operatingconditions in SLM. Our experimental studies performed at different scales (1D and 3D) have shown the limits of this criterion.The combination of these results with the numerical simulation of the lasing of a single powder bead served as a basis forthe definition of an initial model, the final objective of which will be to optimize the choice of manufacturing parameters

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Relave, Sébastien. "Caractérisation et prédiction de la microstructure obtenue par fabrication additive. Application aux aciers inoxydables." Thesis, Lyon, 2020. http://www.theses.fr/2020LYSEM003.

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Abstract:

Dans la famille des procédés de fabrication additive, le procédé laser beam melting (LBM) permet la conception de formes complexes par une méthode de construction couche par couche, à partir d’un lit de poudre. La compréhension des mécanismes de solidification mis en jeu lors de la fabrication est encore trop peu maitrisée pour une optimisation du procédé LBM Ainsi cette étude a pour objectif d’optimiser les caractéristiques des composants issus du procédé LBM. Pour parvenir à notre but, cette étude a été découpée en deux parties : la première a porté sur l’étude de l’influence des paramètres procédés et de la composition d’alliage sur la microstructure des échantillons fabriqués par LBM, tandis que la seconde concernait le développement d’un modèle thermique visant à prédire la microstructure. Au cours de cette étude, des analyses microstructurales et mécaniques ont été menées sur des pièces 3D en acier 316L, construites en faisant varier les paramètres procédés et la composition des poudres. Cette partie a pu mettre en évidence l’influence non négligeable de la composition chimique sur le chemin de solidification de l’alliage, impactant directement la microstructure de solidification donc indirectement, les propriétés mécaniques. Parallèlement à cette étude, le modèle thermique développé a permis d’identifier la structure de solidification et d’estimer la forme et la taille de la zone fondue, en fonction des paramètres procédés utilisés dans la première partie. La compréhension approfondie du mécanisme de solidification rencontré lors du procédé LBM, permet d’émettre des recommandations sur les compositions de la nuance 316L la plus adaptée à ce procédé
The laser beam melting (LBM) is an additive manufacturing process that allows the production of complex samples trough a layer-by-layer melting of the powder bed by the laser beam. In the most of the studies, the solidification mechanisms were not studied in details. However, from scientific and practical point of view, it is necessary to study and to describe these mechanisms which can help to optimize the mechanical properties of LBM samples. The purposes of this study were to analyse the influence of process parameters and the powder chemical composition on the microstructure of manufactured parts and to develop a numerical simulation model capable to predict the microstructure of the part after material solidification. In this work, the microstructure and mechanical properties of 316L alloy LBM samples were analysed in dependence on the process parameters and the chemical composition of the powders. The results obtained during the study showed the significant influence of the chemical composition of the powder on the sample microstructure for the same process parameters. It was found that the chemical composition impacts the solidification path of the alloy, the latter can give different microstructure and therefore different mechanical properties. Meanwhile, thanks to thermal model developed, the solidification structure and the shape and size of the melting pool have been identified, according to the process parameters used for the experiment part. Finally, the link between the microstructure observed and the microstructure predicted by the model have been settled, leading to a deeper understanding of the solidification mechanism encountered during the LBM process

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Chougrani, Laurent. "Modélisation avancée de formes complexes de pièces mécaniques pour lesprocédés de fabrication additive." Thesis, Paris, ENSAM, 2017. http://www.theses.fr/2017ENAM0054.

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Abstract:

Les procédés de fabrication additive ont connus un fort essor dans les dernières décennies et entament aujourd'hui leur phase d'industrialisation pérenne. L'industrie, dans un souci d'améliorer sans cesse le ratio masse/rigidité des systèmes qu'elle produit (notamment l'industrie aéronautique), a pris conscience du potentiel de ces technologies à produire des structures plus complexes que les procédés classiques. Elle cherche aujourd'hui à tirer profit de ce potentiel pour alléger encore plus les pièces produites en utilisant notamment des géométries de type réseaux ou alvéolaires (Lattice en anglais). Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour but de proposer une méthodologie, des modèles et des outils permettant la conception, le dimensionnement et l'optimisation de telles structures en vue de leur fabrication par procédés additifs. Le framework proposé peut être résumé par les huit étapes ci-dessous:- Importation de l'espace de conception, comprenant également les cas de chargement.- Optimisation topologique sur l'espace de conception.- Reconstruction de la géométrie, appelée primitive, qui servira de support à l'insertion du réseau.- Calcul par éléments finis qui peut être réalisé pour s'assurer de la bonne tenue mécanique.- Définition de la topologie du réseau, par l'intermédiaire d'un graphe 3D.- Déformation du réseau et optimisation mécanique du réseau.- Reconstruction des volumes.- Préparation des fichiers de données et impression 3D
Additive manufacturing processes have been quickly growing those past decades and are now getting to their sustainable industrial. Industry has been caring about the mass to rigidity ratio of the structures it produces (especially in aeronautics), and is now acknowledging the potential of additive processes to produce more complex shapes than classical processes. Industry is now trying to take advantage of this potential by designing highly complex structures like lattices or metal foams. The work that is presented in this document propose a methodology, models and numerical tools allowing the conception, dimensioning and optimization of such structures through additive manufacturing. The proposed framework can be describe through the height following steps:- Importing the design space and the technical requirement (load cases).- Topology optimization of the design space- Geometry reconstruction to create a primitive which will be the lattice insertion area.- Finite elements computation to ensure that the structure meets the requirements.- Lattice topology definition using 3D graphs.- Lattice deformation and optimization.- Creation of the volumes around the lattice.- Printing file creation and 3D printing

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Durand, Pierre-Yves. "Modélisations multiphysiques à deux échelles du procédé de fabrication additive par fusion laser de lit de poudre." Thesis, Nantes, 2017. http://www.theses.fr/2017NANT4012.

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Abstract:

Quel que soit le secteur d’activité, les procédés de fabrication additive pour les matériaux métalliques ont un fort potentiel industriel, spécifiquement pour la production de pièces à haute valeur ajoutée. Le secteur de l’outillage est l’un des utilisateurs de ces procédés, et plus particulièrement du Selective Laser Melting (SLM). Ce procédé permet de diminuer les coûts et les temps de production des outillages, tout en augmentant la complexité des pièces fabriquées. Cependant, pour améliorer la qualité des pièces fabriquées, une meilleure compréhension des mécanismes physiques qui le régissent est nécessaire. Dans ce travail de thèse, consacré à la modélisation du procédé SLM, les approches suivies sont multiphysiques à deux échelles. La première échelle de modélisation, utilisant la méthode Volume Of Fluid, correspond à la fusion d’un lit de poudre par un laser puis sa solidification. Le lit de poudre numérique est produit à partir d’un générateur spécifique basé sur la granulométrie identifiée expérimentalement. Après certaines hypothèses simplificatrices posées sur les phénomènes physiques à modéliser, la tension superficielle a été implémentée et a nécessité l’utilisation de la méthode des « heights functions ». La seconde échelle de modélisation correspond à la construction d’une succession de cordons à l’aide de la méthode des éléments finis. Le modèle thermomécanique utilise la méthode « element birth » pour se rapprocher au plus près des conditions réelles du procédé. Après leur validation par des essais expérimentaux, les simulations ont permis de prédire le champ de température, la largeur de la zone fondue, ainsi que la formation du « keyhole »
Regardless the industry, additive manufacturing processes for metallic materials have a great industrial potential, especially to product high added value parts. One of the main users of these processes, and more specifically the Selective Laser Melting (SLM), is the tooling industry for plastics processing. It make possible to reduce production costs and manufacturing times while increasing the complexity of manufactured parts. However, in order to improve the quality of the latter and ensure their certifications, a better insight into the related physical phenomena undergone by the material during the process is still needed. In this PhD thesis, the SLM process modeling is multiphysic and concerns two different scales. The first modeling scale uses the Volume Of Fluid method to model the powder bed melting and its ensuing solidification. The numerical powder bed is computed thanks to a specific generator enabling to take account for the experimental granulometry. Once some simplifying assumptions on the physical phenomena stated, the surface tension has been implemented requiring the "heights functions" method use. The second modeling scale corresponds to the building of laser tracks series through the finite element method. The thermomechanical approach uses the element birth method in order to meet as far as possible the experimental conditions. Following its assessment through experiment/simulation face off, model have enable to predict the temperature field and the melted zone width as well as the keyhole formation

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Gunenthiram, Valérie. "Compréhension de la formation de porosités en fabrication additive (LBM). Analyse expérimentale de l’interaction laser – lit de poudre – bain liquide." Thesis, Paris, ENSAM, 2018. http://www.theses.fr/2018ENAM0028/document.

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Abstract:

Le procédé de fusion sélective « lit de poudre » (SLM) permet d'élaborer des pièces métalliques bonne matière (denses) directement à partir de la fusion de couches de poudres successives. De nombreux problèmes techniques doivent encore être surmontés pour faire du SLM un processus de fabrication entièrement viable. C'est le cas de l’état de surface et de l'apparition systématique de porosités, qui nécessitent des étapes de post-traitements. Jusqu'à présent, l'origine de la porosité reste incertaine mais est supposée être liée à la stabilité du procédé. Cette thèse propose une étude originale de l'interaction laser-poudre-bain liquide sur 316L et sur deux alliages d’aluminium (5086 et 4047) avant d’étudier les conditions de densification de la matière. Le travail de cette thèse s’articule en deux parties. Dans la première partie, une étude expérimentale de l’interaction laser-matière a été effectuée sur un banc instrumenté à partir d’imagerie par caméra rapide (>10 000 images /s). Les conditions de formation des éjections métalliques, de dénudation en poudre, l’hydrodynamique des zones fondues (dont le humping) ont été caractérisées et quantifiées. Tous ces phénomènes sont liés aux fortes densités de puissance utilisées en SLM, qui favorisent le régime de keyhole et la vaporisation. La deuxième partie de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’origine et le taux de porosités sur une machine SLM. Une formulation analytique de la densification, dépendante d’un paramètre énergétique VED, a été validée par une étude expérimentale de l’évolution du taux de porosité, quelle que soit l’épaisseur de poudre. Un premier lien a été réalisé entre les dimensions des cordons de fusion et les conditions de densification. Enfin, une forte interaction (diffusion de Rayleigh ou absorption) a été observée entre le faisceau laser incident et les nanoparticules contenues dans la colonne de vapeur métallique, à l’origine de la dispersion importante des profondeurs de fusion
The selective laser melting (SLM) process allows to produce dense metal parts directly from the melting of successive powder layers. However, many technical issues are still to overcome for making SLM a fully viable manufacturing process. This is the case of surface finishing and the systematic occurrence of porosities, which require post machining steps. Up till now, the origin of porosities remains unclear but is expected to be related to the stability of the process. This thesis proposes an original study of the laser-powder-melt pool interaction on 316 L and on two aluminum alloys (5086 and 4047) before studying the material’s densification conditions. The work is structured in two parts. In the first part, an experimental study of the laser-matter interaction has been carried out on an instrumented SLM setup equipped with a fast camera (>10 000 images /s). The conditions of formation of metal ejections, denudation and hydrodynamics of melt pool (including humping) have been characterized and quantified. All these phenomena are related to the high power densities used in SLM, which favor keyhole regime and vaporization. The aim of the second part of this work was to characterize the origin and the porosity fraction on an SLM machine. A first correlation has been made between the dimensions of the fusion beads and the densification conditions. A strong interaction (Rayleigh scattering or absorption) has been observed between the incident laser beam and the nanoparticles contained in the metal vapor column: this interaction is responsible for the significant dispersion of melting depths

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Limousin, Maxime. "Développement d’inserts de moule pour l’injection plastique en acier inoxydable martensitique et en verre métallique massif produits par Laser Beam Melting (LBM)." Thesis, Lyon, 2018. http://www.theses.fr/2018LYSEE003.

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Abstract:

Cette thèse a pour but d’augmenter la durée de vie des moules pour l’injection plastique. Les principaux phénomènes à refréner sont l’usure par abrasion et l’usure par corrosion. Pour ce faire, deux familles de matériaux ont été présélectionnées. Il s’agit des aciers à outils inoxydables et des verres métalliques massifs. Ces travaux détaillent donc la sélection, le développement et la caractérisation d’une nuance pour chacune de ces familles. In fine, cette thèse délivre un nouvel acier adapté à la fabrication additive et aux moules d’injection plastique, allant de l’élaboration de la poudre à l’optimisation des paramètres LBM et de ceux du traitement thermique. Cet acier permet d’offrir un bon compromis en termes de propriétés thermiques, mécaniques et de résistance à la corrosion. Quant au verre métallique massif, ces travaux de thèse démontrent que la nuance choisie permet de conserver suffisamment de matériau amorphe pour induire des propriétés exceptionnelles
The aim of this thesis is to increase molds lifetime. Mains phenomena to limit are abrasion wear and corrosion. For this purpose, two material families have been preselected. They have been identified among stainless steels and bulk metallic glasses. This work details their selection, development in additive manufacturing and characterization for both materials. In the end, this thesis delivers a new steel grade adapted to the additive manufacturing and plastic injection molds, which affords good corrosion resistance, high hardness and a comparatively good thermal conduction. Concerning the bulk metallic glass, this work shows that the chosen composition allowed to preserve enough amorphous material to induce exceptional properties and give strong hopes to continue in this vein

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Mezari, Rezak. "Etude du contrôle de procédé de projection laser pour la fabrication additive : Instrumentation, Identification et Commande." Thesis, Paris, ENSAM, 2014. http://www.theses.fr/2014ENAM0050/document.

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Abstract:

Les applications utilisant les procédés de fabrication directe par laser et projection de poudre sont en pleine expansion, en particulier, dans l'aéronautique. Néanmoins, cette technologie prometteuse fait état de quelques points durs et est confrontée aux problèmes d'instabilités du procédé. Lorsque ces phénomènes ne sont pas maîtrisés, cela conduit à des défauts (résistances mécaniques insuffisantes, porosités trop importantes, mauvais états de surface,….etc), qui, selon leur répartition et leur taille, risquent d'engendrer des non conformités, de détériorer les caractéristiques mécaniques des pièces et qui peuvent représenter un coût de post-traitement non négligeable. Par conséquent, il est primordial de maîtriser le procédé d'élaboration, afin de rendre le procédé de fabrication robuste et préserver l'intégrité structurelle de la pièce. Cela requiert la mise en place de système d'instrumentation du procède de projection laser, et par l'intermédiaire du contrôle procédé, d'avoir un système de commande temps réel permettant d'adapter les paramètres procédés en cours d'élaboration, afin de de maintenir une haute qualité de la pièce fabriquée. Dans cette perspective, nous avons développé une solution technologique (matérielle et algorithmique) à base de caméras (vision) permettant de suivre des paramètres clefs lors de la fabrication. L'application de ce système de vision a permis la mise en œuvre de méthodes innovantes, utilisant des outils de l'automatique moderne, pour surveiller l'état de pièces projetées, voire même corriger leurs défauts lors de la fabrication, en ayant un suivi et un contrôle du procédé en temps réel. De plus ce système de vision a permis à partir de mesures effectuées sur les entrées et les sorties du procédé, d'identifié un modèle dynamique qui ont conduit à la réalisation du système de contrôle procédé
Applications using the direct metal deposition laser process have been expanded rapidly, particularly in aeronautics. However, this promising technology reported some difficult points and faced several problems, mainly the process instability. When these phenomena are not controlled, several defects was obtained (lack of mechanical strength, excessive porosity, poor surface, ... etc.). According to their distribution and size, non-conformity, deteriorate the mechanical characteristics of the parts was recorded and result in a significant cost of post-processing. Therefore, it is important to control the process, to make the process both robust and preserve the structural integrity of the piece. This requires the development of instrumentation through the control process, in order to have a real-time system able to adjust the process parameters to keep a high quality of the manufactured part. In this perspective, the studied thesis developed a technological solution (hardware and algorithms) based on cameras (vision) to monitor key parameters during manufacture. The application of this vision system has been allowed for the implementation of innovative methods by using modern automatic tools to monitor the status of the built part or even correct their defects during the manufacture parts, having a monitoring and process control in real time. Furthermore this vision system performed measurements for the inputs and outputs of the process, matched to a dynamic model that lead to the realization of the process control system

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De, Terris Thibaut. "Fabrication additive par fusion laser sélective (SLM) d’un superalliage base nickel : relations procédé – microstructures – propriétés mécaniques." Thesis, Paris, ENSAM, 2019. http://www.theses.fr/2019ENAM0061.

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Abstract:

Le procédé de fabrication additive SLM est un procédé d’impression 3D métallique régi par de nombreux paramètres liés à la machine et à l’environnement de fabrication. De ce fait, la qualité des pièces (taux de porosité, état de surface) ainsi que la productivité sont dépendant des réglages effectués. Les travaux réalisés dans cette thèse ont pour objectif d’optimiser le procédé SLM dans le but de pouvoir produire des échangeurs-réacteurs pour Air Liquide. D’autre part, une fois le procédé optimisé, il est nécessaire de qualifier les microstructures induites par la fabrication, et leurs effets sur les propriétés mécaniques. La première partie de l’étude a consisté à développer des jeux de paramètres permettant de réduire au maximum le taux de porosité des pièces, tout en améliorant l’état de surface et la productivité. Pour cela différents travaux expérimentaux ont été effectués sur la machine SLM du laboratoire PIMM, et une large exploration des effets des paramètres de premier et second ordre a été conduite sur de l’Inconel 625. La seconde partie de l’étude a consisté à étudier les microstructures de pièces élaborées par SLM, depuis leur état brut jusqu’à leur état recristallisé après traitement thermique. La relation entre procédé de fabrication et microstructures a pu être mise en évidence, et les propriétés mécaniques de pièces brutes et traitées thermiquement ont ensuite été caractérisées. Il ressort que les paramètres de fabrication influencent l’état microstructural brut, dont dépendent les propriétés mécaniques. En effet, des grains colonnaires dans le sens de fabrication sont formés. In fine, l’utilisation d’un traitement thermique adéquat permet cependant d’effacer l’effet de la fabrication pour retrouver une microstructure et des propriétés mécaniques homogènes
The Selective Laser Melting (SLM) additive manufacturing process is a 3D metal printing process controlled by many parameters related to the machine and to the manufacturing environment. As a result, the quality of the parts (porosity rate, surface roughness) and the productivity depend on the parameters. The work carried out aims to optimize the SLM process in order to be able to produce exchangers for Air Liquide. On the other hand, once the process is optimized, it is necessary to qualify the microstructures induced by the process, and their effects on the mechanical properties. The first part of the study consisted in developing sets of parameters allowing to reduce as much as possible the porosity of the parts, while improving the surface roughness and the productivity. A lot of experimental work has been carried out on the SLM machine of the PIMM laboratory, and a wide exploration of the effects of the first and second order parameters has been done on Inconel 625. The second part of the study consisted of studying the microstructures of parts developed by SLM, from their raw state to their recrystallized state after heat treatment. The relationship between the manufacturing process and the microstructures has been demonstrated, and the mechanical properties of raw and heat-treated parts were then characterized. It appears that the manufacturing parameters will influence the raw microstructural state, on which the mechanical properties depend. Indeed, columnar grains are formed along the building direction. The use of a suitable heat treatment, however, makes it possible to cancel the effect of the process

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Millon, Célia. "Contribution à l’inspection d’échantillons de fabrication additive métallique par ondes de Rayleigh au moyen d’une méthode ultrasons-laser." Thesis, Paris, CNAM, 2018. http://www.theses.fr/2018CNAM1195/document.

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Abstract:

L’objectif de cette thèse est de contribuer à la détection de défauts dans des pièces réalisées par le procédé de fabrication additive de déposition métallique par laser (DML), en vue d’un contrôle in situ. Le contrôle in situ envisagé porte sur les derniers cordons déposés par le procédé (acier 316L et Inconel 718), pour lesquels des porosités et fissures peuvent apparaître (~ 100 µm). L’inspection est effectuée par méthode ultrasons-laser (UL), c’est-à-dire tout optique et non intrusive (régime thermoélastique). Le procédé DML engendre une microstructure dite à gros grains et des rugosités de surface qui rendent le contrôle ultrasonore plus délicat. En effet, ces caractéristiques microstructurales provoquent la diffusion des ondes élastiques dans le milieu. Ce travail de thèse participe donc à la compréhension de ces phénomènes et de leurs influences pour mieux détecter des défauts subsurfaciques dont les dimensions sont proches des longueurs d’ondes acoustiques. Ainsi, l’inspection en surface a été optimisée par la conception d’un montage optique, permettant de favoriser la génération de l’onde de Rayleigh, par une ligne source laser fine (~200 µm) et présentant des fronts raides. En conséquence, le contenu spectral de l’onde a été augmenté vers les hautes fréquences, c’est-à-dire jusqu’à 10 MHz. La longueur d’onde de Rayleigh (λR) a pu être ainsi diminuée à une valeur proche de celle des défauts recherchés, de l’ordre de 700 µm. Ensuite, les limites de ce dispositif ont été mises en évidence sur des pièces fabriquées par le procédé DML. Ces pièces comportent des défauts usinés, des entailles et des trous génératrice dont les dimensions sont inférieures à λR, leur surfaces est rugueuse (diffraction multiple de l’onde de Rayleigh). Puis, l’inspection de défauts réels subsurfaciques est étudiée. Ces défauts sont créés soit par une variation d’un des paramètres du procédé, le hatch (distance inter-cordon), ou encore par l’utilisation d’une poudre métallique de mauvaise qualité. En dégradant volontairement ces paramètres, les échantillons présentent alors des taux de porosités (Φ) pouvant s’étendre de 0,5% à 10%. Enfin, deux méthodes de corrélations ont été exploitées pour discriminer les taux de porosités : à travers l’étude du degré de ressemblance et l’Analyse en Composantes Principales (ACP). La première méthode, simple et rapide à mettre en œuvre, ne permet cependant pas de distinguer les taux de porosités. En revanche, l’ACP indique qu’il est possible de discriminer tous les défauts. Pour finir, des tests préliminaires ont été effectués afin de montrer qu’il est possible d’effectuer des mesures par méthode UL sur surface rugueuse, tout en conservant un bon rapport signal sur bruit, et ce sans moyenner les signaux, au cours d’un déplacement robotisé
This thesis contributes to the detection of flaws in laser metal deposition (LMD) additive manufacturing process samples towards an in situ control of the process. The in situ control foreseen concerns the last layers deposited by the process (316L and Inconel 718 steel) for which porosities and cracks may appear (~ 100 µm). The inspection is performed by laser-ultrasonics (LU), an all-optical and non-invasive technic. Experiments are conducted in thermoelastic mode. The LMD process gives rise to coarse grain microstructure and surface roughness, that make the control tricky. Indeed, those characteristics generate scattering elastic waves. Thus, this work contributes to the better comprehension of those phenomena and their effects of the detection on subsurface flaws which dimensions are close to the acoustic wavelength. Surface inspection has been optimized by designing an optical setup, improving the Rayleigh wave generation by using a thin laser line source (~200 µm). Hence, the spectral content has been increased until it reaches 10 MHz, that is to say a wavelength equals to 700 µm (λR). Then, the limits have been brought out through the inspection of LMD samples. Those samples include sided drilled holes and notches which dimensions are less than λR, on rough surface (multiple scattering of Rayleigh wave). Moreover, real subsurface flaws inspections have been studied. The flaws have been created by the instability of one of the process parameter: the hatch (distance between each layer), or by a bad powder quality. By intentionally deteriorating those parameters, the samples, then, have porosity rate (Φ) with ranging from 0.5% to 10%. Finally, two correlation methods have been studied to discriminate porosity rate: through the study of the normalized cross correlation function and by Principal Component Analysis (PCA). The first method, simple and fast to implement, does not allow distinguishing the porosity rates. Nevertheless, the PCA indicates that it is possible to discriminate all the flaws. Finally, preliminary tests have been carried out to show that LU measurements is feasible on rough surfaces, while keeping a good signal-to-noise ratio, without averaging, during an automated displacement

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Moniz, da Silva Sancho Liliana. "Etude de l'interaction laser-matière pour la fabrication de pièces à haute valeur ajoutée en céramiques oxydes semi-transparentes par fusion laser sélective sur lit de poudre." Thesis, Université Paris sciences et lettres, 2020. http://www.theses.fr/2020UPSLM060.

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Abstract:

La mise en forme par fusion laser sélective (LBM) de céramiques oxydes (Al2O3-ZrO2 et Al2O3) a pour objectif l’obtention directe de pièces aux formes complexes et aux microstructures fines et dirigées qui ne peuvent être réalisées par le procédé conventionnel de frittage. Ces pièces légères, possédant une excellente tenue au fluage en température et à l’oxydation, pourront alors répondre aux problématiques d’allègement et d’augmentation de la température de fonctionnement des turboréacteurs, comparativement aux pièces métalliques revêtues de céramiques poreuses. La combinaison matériau/procédé repose sur l’ajout contrôlé d’un absorbant aux poudres céramiques pures, permettant de pallier leur quasi-transparence au rayonnement laser Yb:YAG. A travers la mesure des propriétés optiques, l’étude menée vise à identifier l’impact des paramètres du procédé, de la nature et teneur de l’absorbant, de la compacité du lit de poudre sur la stabilité du bain de fusion. Pour ce faire, des mesures radiatives innovantes en réflexion et en transmission ont été réalisées en cours de fabrication. Ces mesures en dynamique via une sphère intégrante informent sur les mécanismes d’interaction laser-matière des différents milieux traversés, et permettent d’accéder aux propriétés optiques associées. Ces données alimentent un modèle analytique d’interaction laser-matière basé sur l’atténuation du rayonnement par la loi de Beer-Lambert. Ce dernier fait le lien entre les dimensions des bains (largeur, profondeur), les propriétés radiatives des différents milieux concernés (lit de poudre, substrat et bain liquide), les coefficients d’absorption associés, les paramètres du procédé, l’épaisseur et la porosité du lit de poudre. Il constitue un outil pour exprimer analytiquement la forme et la section apparente fondue au sein du lit de poudre, celles de la zone refondue au sein du substrat ainsi que celles de la zone de consolidation au sein du lit de poudre. Certaines de ces données calculées et difficilement mesurables sont utiles pour alimenter un modèle de consolidation du lit de poudre prenant en compte les échanges de matière observés entre une zone dite dénudée (liée à l’éjection de particules du lit de poudre), et une zone dite de consolidation. La quantification de ces flux de matière, impactant fortement la fabrication par LBM de ces céramiques oxydes, a permis le développement d’une stratégie de construction spécifique qui compense la zone dénudée et évite le phénomène de points chauds. L’ensemble de ces données permet alors la mise en forme de pièces avec une porosité réduite et une microfissuration contrôlée
Selective laser melting of oxide ceramics (Al2O3-ZrO2and Al2O3) is identified as a promising way to produce complex shaped parts with oriented fine microstructures, which would not be achievable by conventional sintering. These lightweight parts, presenting excellent resistance to creep at high temperature and oxidation, would appear as the answer to weight reduction and temperature increasing of turbojet engines, as compared to the usual metal parts coated with porous ceramics. The material/process coupling relies on the controlled addition of an absorber to pure ceramic powders, that compensate the quasi-transparency of these materials to Yb:YAG laser radiation. The effect on optical properties of process parameters, absorbent nature and content, compactness of the powder bed and their influence on manufacturing stability are identified. For this purpose, innovative radiative measurements in reflection and in transmission were carried out during manufacturing and for different operating conditions. These dynamic measurements through an integrating sphere provide information on the laser-material interaction mechanisms taking place in each media and they give access to optical material properties. These measurements enrich an analytical laser-matter interaction model based on the radiation attenuation by the Beer-Lambert law. This model gives a relation between melt pool dimensions, radiative propertiesof the different media (powder bed, substrate and liquid) along with the associated absorption coefficients, the process parameters and powder bed porosity. This model expresses also the apparent melted section within the powder bed, the section of the melted zone within the substrate and the consolidation section within the powder bed. Some of these calculated data are not measurable and usefully contribute to a consolidation model of the powder bed. This model takes into account the material exchanges observed between so-called bare zones (linked to the ejection of powder particles) and consolidation zones. Quantification of these particles exchanges, which have a strong impact on the LBM of these oxide ceramics, allows the definition of a specific manufacturing strategy that compensates for the bare zone formation while avoiding the formation of hot spots. These data collection enables the manufacturing of LBM ceramic oxide parts with reduced porosity and controlled micro-cracking

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Pavlov, Mikhail. "Application des dispositifs de diagnostic optique multi-spectraux dans les procédés de fabrication additive : fusion sélective par laser et projection laser coaxiale." Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne), 2011. http://www.theses.fr/2011ENISE007.

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Le manuscrit comporte 4 chapitres comprenant une introduction générale présentant les diagnostics optiques et les concepts utilisés, suivi d’un chapitre sur l’application de ces technique au procédé de fusion sélective par laser et deux chapitres sur une processus de projection de poudres. Le chapitre 1 est une introduction aux diagnostics optiques ayant pour objet de mesurer la température d’un milieu « sans contact ». L’importance du choix de la bande spectrale en fonction de la température est également soulignée. Le chapitre 2 concerne l’étude le procédé de fusion sélective par laser. Une première partie concerne la description de la machine de frittage utilisée. Sur cette machine différents éléments optiques ont été ajoutées permettant une visualisation à la fois latérale du champ entourant le bain liquide, mais également coaxiale avec faisceau laser. Le chapitre 3 porte sur l’étude du procédé de projection de poudres de acier et carbure de titane. Ce chapitre débute par une partie bibliographique. Les dispositifs expérimentaux sont une caméra thermique (bande 3-5 microns), un pyromètre multi-longueurs d’onde (1-1. 27 microns). L’effet des différents paramètres opératoires sur les profils de température (vraie et de brillance) est ensuite examiné en détails. Le quatrième chapitre concerne l’étude du rechargement d’un substrat de TA6V avec de la poudre de même composition. Une caméra thermique (3-5 microns) calibrée à l’aide d’un corps noir permettait d’obtenir les champs de température
The manuscript contains four chapters including a general introduction presenting the optical diagnostics, followed by a chapter on the application of the selective laser melting and two chapters on a process of laser cladding. Chapter 1 is an introduction to optical diagnostics tools designed to measure the temperature of an object without physical contact. The importance of the choice of the spectral band as a function of temperature is also highlighted. Chapter 2 describes the study the process of selective laser melting. The first part concerns the description of the selective laser melting machine used. On this machine various optical elements have been added for visualization of powder layering process and the molten pool coaxially with the laser beam. Chapter 3 describes the study of laser cladding of titanium carbide and steel powders. This chapter begins with a bibliographical part. Thermal imaging camera (3-5 micron band) and a multi-wavelength pyrometer (1-1. 27 microns) were applied to monitor the zone of laser action. The effects of various operating parameters on the temperature profiles (true and brightness) were examined in detail. The fourth chapter describes the laser cladding on a substrate TA6V with powder of the same composition. A thermal imaging camera (3-5 microns) was applied to obtain the temperature distributions in the laser action zone

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Obielodan, John Olorunshola. "Fabrication of Multi-Material Structures Using Ultrasonic Consolidation and Laser-Engineered Net Shaping." DigitalCommons@USU, 2010. https://digitalcommons.usu.edu/etd/776.

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Abstract:

This research explores the use of two additive manufacturing processes for the fabrication of multi-material structures. Ultrasonic consolidation (UC) and laser- engineered net shaping (LENS) processes were used for parallel systematic investigations of the process parameters and methodologies for the development of multi-material structures. The UC process uses ultrasonic energy at low temperature to bond metallic foils. A wide range of metallic materials including nickel; titanium; copper; molybdenum; tantalum; MetPreg®; silver; stainless steel; and aluminum alloys 1100, 3003, and 6061 were bonded in different combinations. Material domains are inherently discrete in ultrasonically consolidated structures. The mechanical properties of some of the bonded structures were characterized to lay the groundwork for their real-life applications. LENS uses a laser beam to deposit metallic powder materials for the fabrication of fully dense structures. Mechanical testing was used to characterize the flexural and tensile properties of dual-material structures made of Ti6Al4V/10wt%TiC composite and Ti6Al4V materials. Experimental results show that the strength of transition joints in multi-material structures significantly depends on the joint design. Dual-material minimum weight structures, representing geometrically and materially complex structures, were fabricated using the results of the process parameters and fabrication methodologies developed in this work. The structures performed well under loading test conditions. It shows that function-specific multi-material structures ultrasonically consolidated and LENS fabricated can perform well in real-life applications.

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Dupin, Stephane. "Etude fondamentale de la transformation du polyamide 12 par frittage laser : mécanismes physico-chimiques et relations microstructures/propriétés." Thesis, Lyon, INSA, 2012. http://www.theses.fr/2012ISAL0062/document.

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Abstract:

Les procédés de fabrication additive permettent, à partir d’un fichier de CAO, la fabrication de pièces complexes sans outillage, dans des délais de développement très courts et avec une grande flexibilité. Parmi les procédés de fabrication additive employés avec les polymères, le frittage laser de poudre est le plus utilisé. Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude et la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués lors du procédé de frittage laser de poudres de polyamide 12. Au cours du procédé de frittage laser de nombreux paramètres interviennent. Ainsi l’énergie fournie à la poudre par l’intermédiaire du rayon laser dépend de la puissance de celui-ci, de la vitesse de balayage et de l’espacement entre deux balayages successifs. De plus, le matériau subit un cycle thermique sévère : avant d’être frittée, la poudre est préchauffée. Puis, dans le bac de fabrication, la poudre non frittée ainsi que les pièces séjournent pendant toute la durée de la fabrication à des températures élevées. Cette histoire thermique entraîne un vieillissement et donc une modification des propriétés de la poudre ce qui complique sa réutilisation. L’influence de ces différents paramètres sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces finales a été mise en évidence. De plus l’utilisation de différentes poudres de polyamide 12 a permis l’identification des paramètres-clés de la matière.Le frittage laser des polymères semi-cristallins est régi par plusieurs mécanismes fondamentaux : la fusion des particules de poudre, l’interdiffusion des chaînes macromoléculaires aux interfaces, la coalescence des particules fondues, la densification et enfin la cristallisation. L’étude et la modélisation de la cristallisation ont été effectuées pour l’un des polyamides 12 employés au cours de cette thèse. De ce traitement théorique ont pu être déduits les temps de maintien du polymère à l’état fondu au cours du procédé. Dans une seconde phase, des analyses rhéologiques menées dans le cadre de la viscoélasticité linéaires des polymères à l’état fondu ont permis de déduire les temps d’interdiffusion des chaînes macromoléculaires. Par ailleurs, le processus de coalescence des particules de poudres à l’état fondu a été suivi expérimentalement et modélisé pour différentes températures. Ces temps ont été confrontés à la durée de maintien du polymère à l’état fondu, confirmant ainsi la bonne consolidation obtenue lors du frittage du polyamide 12. En conclusion, ce travail contribue à la compréhension des différents mécanismes physico-chimiques intervenant au cours du frittage laser : il permet d’expliciter de façon assez approfondie les relations entre les propriétés des poudres, les paramètres du procédé et les propriétés finales des pièces. De nombreuses préconisations relatives à l’optimisation des propriétés des poudres pourront être déduites de ce travail et aideront au développement de nouveaux matériaux adaptés à ce procédé
Additive processing technologies are aimed at manufacturing parts directly from a computer-aided design (CAD) file, without the need for tooling. Therefore flexibility of production increases and manufacturing of small to mid-size series of very complex or even customized parts becomes possible within reduced development time and expenses. Because of the good mechanical properties obtained in the parts, the most commonly used among additive technologies for polymers is laser sintering (LS). The objective of this work is to contribute to a better understanding of the different physical mechanisms involved during laser sintering of polyamide 12 powders. Many operating variables impact the laser sintering process. Especially, the energy supplied to the powder with the laser beam depends on its power, its displacement velocity and the scan spacing. Moreover, the polymer material undergoes a quite severe thermal treatment : before its sintering, the powder is preheated, then in the build tank the sintered parts and the un-sintered surrounding powder remain until the end of the job at elevated temperatures. This thermal history induces ageing, which modifies some powder features and hinders its future reuse. The influence of the parameters mentioned above on the part microstructure and mechanical properties was investigated. Moreover the use of different polyamide 12 powders enabled to identify the key material characteristics towards the physical processes involved in LS and towards the final properties of parts. The laser sintering of semi-crystalline polymers is governed by several fundamental mechanisms: melting of particles, interdiffusion of macromolecular chains at interfaces, coalescence of molten particles, then densification and finally crystallisation. The study and modelling of crystallisation were carried out with one of the PA12 powders used in the first part of this work. From this modelling, the time during which the polymer remains in the molten state during the process was estimated. Next, a rheological analysis made within the framework of linear viscoelasticity of polymer melts allowed to compute the interdiffusion time of the macromolecular chains. Moreover, the coalescence process of molten particles was observed at different temperatures and modeled. The characteristic times thus estimated for these physical processes were opposed to the time during which the polymer remains in the molten state and confirmed the good consolidation obtained by laser sintering of polyamide 12. In conclusion this work contributes to understand the different physico-chemical mechanisms involved during polymer laser sintering by specifying the relations between powder parameters, process variables and final properties of parts. Many recommendations for the optimisation of powder properties can be derived from this work for the purpose of developing new polymeric materials adapted to this process

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Touzé, Stéphane. "Laser Metal Deposition of Aluminium-Copper alloys for Repair applications." Thesis, Ecole centrale de Nantes, 2019. http://www.theses.fr/2019ECDN0025.

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Abstract:

Ce travail de thèse vise à démontrer la faisabilité de la réparation de pièces de fonderie à haute performance et haute valeur ajoutée faites d’un alliage aluminiumcuivre en utilisant un procédé de fabrication additive métallique par projection de poudre avec fusion laser dénommé Laser Metal Deposition. Ces alliages présentent notamment une faible soudabilité et ne peuvent donc être réparés de façon fiable par des procédés traditionnels de soudage à l’arc. Afin de permettre l’utilisation de ce procédé innovant pour la réparation de pièces en alliage Al-Cu, des difficultés majeures ont dû être levées en ce qui concerne notamment la coulabilité des poudres Al-Cu et leur comportement en fusion et en solidification, ainsi que la méthodologie de réparation pour effectuer l’opération de façon fiable et efficace. Des travaux expérimentaux, théoriques et numériques ont permis d’élucider ces aspects et in fine de permettre l’utilisation de ce matériau avec ce procédé de fabrication additive. Une méthode de réparation comprenant un algorithme de segmentation robuste a également été développée et mise en oeuvre afin d’automatiser le processus de réparation en permettant la génération de trajectoire sur la base de mesures 3D in-situ. Des réparations de pièces de fonderie en aluminium-cuivre ont ainsi pu être effectuées avec le procédé Laser Metal Deposition, et les analyses métallographiques montrent que les rechargements effectués avec ce procédé offrent une microstructure très fine avec un taux de ségrégation chimique limité et peu de fissuration à chaud
The present thesis aims at demonstrating the feasibility of repairing high performance castings made of an aluminiumcopper alloy using the Laser Metal Deposition metal additive manufacturing process. These alloys present a low weldability and thus cannot be reliably repaired with manual arc-welding processes. To instead use this innovative additive manufacturing process for repair applications and thereby improve upon current methods, major challenges had to be overcome regarding the flowability and solidification behavior of this aluminium alloy powder as well as the overall methodology to reliably and efficiently perform the repair operation. Experimental, theoretical and numerical studies allowed to elucidate some of these aspects and eventually enabled the use of a 224.0 casting aluminium alloy with the Laser Metal Deposition metal additive manufacturing process. A repair methodology including a robust segmentation algorithm was also developped to automate the repair process and permit the generation of toolpaths based on raw in-situ 3D scanning measurements. Repairs of high performance aluminium-copper castings were carried out successfully as no major lack of fusion, bonding or cracking defects were observed. A metallographic analysis showed that the aluminium deposits obtained by Laser Metal Deposition generally offer a refined microstructure with limited solute segregation and hot cracking

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Blanc, Toinou. "Fabrication additive par dépôt laser direct de TA6V : étude expérimentale dans des régimes de forte productivité, modèles de comportement et recyclage de la poudre." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017PSLEM047.

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Abstract:

La fabrication additive, ou impression 3D, regroupe plusieurs procédés permettant d’obtenir des pièces par empilement de couches de matière à partir de modèles CAO, sans outillage spécifique. En l’espace d’une dizaine d’années, les procédés additifs ont vu leur notoriété croître bien plus rapidement que la rentabilité de leurs applications industrielles.En effet, ces technologies doivent encore gagner en maturité, en particulier pour les applications métalliques. C’est l’enjeu du projet FUI-9 FALAFEL dans lequel s’inscrit cette thèse, menée en partenariat avec plusieurs acteurs industriels et académiques. Elle a pour but d’accompagner le développement du procédé de dépôt laser direct (DLD), aussi appelé dépôt de métal assisté par laser (LMD).Celui-ci consiste à projeter et à fondre de la poudre métallique sur un substrat suivant un motif défini, couche après couche. Il permet d’obtenir des pièces de grandes dimensions peu complexes avec un état de surface moyen et une productivité correcte, mais encore insuffisante pour son industrialisation.La spécificité de ce travail est d’étudier le procédé DLD avec l’alliage de titane TA6V, dans des régimes opératoires permettant d’atteindre des débits volumiques de construction élevés (> 100 cm3/h).Les recherches sont orientées suivant deux axes. En premier lieu, on s’attache à améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé, en établissant les relations entre paramètres opératoires, critères géométriques, stabilité du bain de fusion, rendement massique et microstructure générée.Dans un deuxième temps, on s’intéresse à la possibilité de réutiliser les poudres projetées non fondues. On étudie jusqu’à 3 niveaux de recyclage de la poudre, sans dilution avec de la poudre neuve, puis on vérifie que les propriétés mécaniques sont en accord avec les exigences aéronautiques
Additive manufacturing, also known as 3D printing, aggregates several processes that allows to build parts by stacking layers of a given material, directly from CAD models, without specific tools. Over the past decade, additive processes have gained in notoriety much more rapidly than their industrial applications gained in profitability.Indeed, these technologies must still mature, especially for metallic applications. This is the challenge of the project FUI-9 FALAFEL, in which this thesis takes place, carried out in partnership with several industrial and academic actors. It aims to accompany the development of the direct laser deposition process (DLD), also known as laser metal deposition (LMD).This consists in projecting and melting metal powder on a substrate in a defined pattern, layer by layer. It allows to obtain large size and low complexity parts with high roughness and a proper productivity, despite being still insufficient for industrialization.The specificity of the present work is to study the DLD process in operating modes that allow to reach high build rates (> 100 cc/h), in application to the titanium alloy TA6V.This work is driven by two research focus. In the first place, we try to improve the understanding and control of the process by establishing the relationships between operating parameters, geometric criteria, melt pool stability, process efficiency and generated microstructure.In a second stage, we focus on the possibility to reuse powders that remain unmelted after deposition. Up to 3 levels of powder recycling are studied, without dilution with new powder. We then carried out tests to check that the mechanical properties were in accordance with the aeronautical requirements

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Chen, Qiang. "Modélisation numérique thermomécanique de fabrication additive par fusion sélective de lit de poudre par laser : Application aux matériaux céramiques." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018PSLEM004/document.

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Abstract:

L'application du procédé SLM est limitée par la difficulté à contrôler le procédé. Son application aux céramiques est particulièrement difficile en raison de leur faible absorption au laser et de leur faible résistance au choc thermique. La maîtrise de ce procédé nécessite une compréhension complète du transfert de chaleur, de la dynamique des fluides et de la mécanique des solides. Dans ce travail, nous proposons un modèle numérique pour la simulation du procédé SLM appliqué aux céramiques. Le modèle est développé à l'échelle du cordon et avec l'hypothèse d'un lit de poudre continu. Il est basé sur la méthode level set et l'homogénéisation multiphasique, avec laquelle nous sommes capables de suivre l'évolution de l'interface gaz/matière et les transformations de phase. La simulation dévelopée permet d'étudier l'influence des propriétés du matériau et des paramètres du procédé sur la température, la forme du bain liquide, la dynamique des fluides et la mécanique des solides. En dehors de la puissance du laser et de la vitesse de balayage, l'absorption du matériau est également importante pour la thermique et la forme du bain liquide. Avec la dynamique des fluides, la forme convexe du cordon est obtenue sous tension de surface. Les gouttelettes liquides se forment lors de la fusion de la poudre et créent une instabilité du bain. Ceci entraîne une irrégularité du cordon après solidification. L'effet Marangoni, provoqué par le gradient surfacique de la tension de surface, est étudié. Son influence sur la répartition de la température, la forme du bain liquide et la régularité du cordon est évoquée. Cet effet peut lisser la surface du cordon avec ∂γ/∂T négatif. En augmentant la vitesse de balayage, la surface du cordon devient plus irrégulière. L'effet de « balling » est reproduit avec une vitesse de balayage élevée. Cela peut être utile pour trouver le régime donnant une forme de cordon régulière étant données la puissance et la vitesse du laser. Le défaut de fissuration est délétère dans la fabrication additive. L'utilisation d'un laser auxiliaire peut aider à éviter ce défaut en diminuant la contrainte de traction maximale. Le mode de fonctionnement de ce laser auxiliaire reste un sujet intéressant à étudier et quelques pistes ont été données par les simulations présentées. Le modèle est validé par la comparaison de la forme du bain liquide avec des expériences dans différentes conditions de procédé. Les simulations peuvent également révéler la tendance de variation de la surface du cordon dans certains cas. Par la simulation de la déposition de cordons multiples, l'influence de taux de recouvrement sur la surface d'une couche, la température et l'évolution de contrainte est soulignée
The application of SLM process is limited by the difficulty of process control. Its application to ceramics is especially challengeable due to their weak absorption to laser and weak resistance to thermal shock. The mastery of this process requires a full understanding of heat transfer, fluid dynamics in melt pool and solid mechanics. In this work, we propose a numerical model for the simulation of SLM process applied to ceramics. The model is developed at the track scale and with the assumption of continuous powder bed. It is based on level set method and multiphase homogenization, with which we are able to follow the evolution of gas/material interface and phase transformation. Simulations are performed to study the influence of material properties and process parameters on temperature, melt pool shape, fluid dynamics and solid mechanics. Apart from the laser power and scanning speed, material absorption is also found to be important to the thermal behavior and the melt pool shape. With the fluid dynamics, convex shape of track cross section is achieved under surface tension. Besides that, liquid droplets collapsing formed by the melting of powder create melt pool instability when falling, thus leading to track irregularity after solidification. The Marangoni effect, caused by surface tension gradient at gas/material interface, is investigated. Its influence on temperature distribution, melt pool shape and track regularity is recognized. One interesting finding is the smoothing effect of track surface with negative ∂γ/∂T. When combine surface tension with scanning speed, track surface becomes more irregular with the increase of scanning speed. The well-known balling effect is reproduced with high scanning speed. This can be helpful to find the regime for regular track shape with given laser power and scanning speed. Cracking defect is deleterious in additive manufacturing. The use of an auxiliary laser can help to avoid this defect by decreasing the maximum tensile stress. The process mode of this auxiliary laser remains an interesting subject to be studied and some guidelines have been given by the presented simulations. The model is validated by the comparison of melt pool shape with experiments under different process conditions. Simulations can also reveal the tendency of track surface variation for certain cases. By the application to multi-track deposition, the influence of hatch distance on layer surface, temperature and stress evolution is emphasized

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Dumoulin, Emmanuel. "Fabrication additive de pièces en polymères thermoplastiques hautes performances et en polyamide 12 par le procédé de frittage sélectif par laser." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-01021861.

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Abstract:

Le frittage sélectif par laser (ou Selective Laser Sintering, SLS) des poudres polymères thermoplastiques est maintenant une technique répandue de fabrication additive. Néanmoins, ce procédé n'est industriellement mature que pour une seule famille de polymères, les polyamides. Pour que ce procédé soit employé dans la fabrication de pièces subissant des contraintes thermiques au-delà de 50 °C, il est ainsi nécessaire d'étendre la gamme des matériaux utilisables à des polymères hautes performances tels que les poly(aryl-éther-cétone) ou les poly(aryl-imide). Cette étude décrit la fabrication additive, couche par couche, de pièces aérospatiales complexes en polymères hautes performances. Pour cela, sept poudres en polymère ont été sélectionnées afin d'étudier l'influence de celles-ci sur les différentes phases du procédé et sur la qualité de la matière frittée/fondue. Ainsi, la morphologie de leurs particules, leurs microstructures ou encore leurs densités versées et tapées sont analysées, de même que leurs stabilités thermiques, leurs capacités à absorber l'eau ou à s'écouler. Dans un second temps, une étude paramétrique du procédé a été réalisée dans le but d'aboutir à la fabrication de pièces de bonne qualité matière, tout en portant un intérêt vis-à-vis des évolutions de la poudre cycle après cycle de fabrication. De plus, il est important, dans un souci d'optimisation, d'utiliser toutes les possibilités de forme qu'offre cette fabrication additive et d'en évaluer la résistance mécanique. C'est pourquoi une loi de comportement mécanique d'un polyamide 12 consolidé sélectivement par laser a été déterminée et implémentée dans un code de calcul par éléments finis (ZéBuLoN®). Cette loi de comportement, dans le domaine linéaire et non linéaire, représentative de l'anisotropie du matériau, a ensuite été validée expérimentalement sur des éprouvettes d'essais mécaniques et sur un démonstrateur aérospatial.

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Fischer, Marie. "Élaboration in situ d’alliages de titane et de structures architecturées par fabrication additive : application aux dispositifs médicaux implantables." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0257/document.

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Abstract:

La problématique initiale part du constat que les échecs d’implants sont souvent causés par une inadéquation entre les propriétés élastiques de l’os et celles de l’implant. Aujourd’hui, ce problème de biocompatibilité mécanique suscite un intérêt croissant et a conduit au développement d’alliages de titane β-métastables qui possèdent un module d’élasticité faible, moitié moindre que celui de l’alliage Ti-6Al-4V classiquement utilisé dans les applications d’implantologie. De plus, les structures architecturées ou treillis font, elles aussi, l’objet d’intenses recherches dans le but de réduire le module d’élasticité et de maximiser la résistance. Leur mise en forme, avec une maîtrise précise de l’architecture, est possible grâce à la fabrication additive et les nombreuses possibilités qu’elle offre : liberté de design, gain matière, pièces complexes, customisation de masse... Ce travail de thèse porte sur la mise en œuvre de l’alliage de titane à bas module d’élasticité Ti-26Nb(%at.) par la technologie de fusion laser sur lit de poudres. Une stratégie d’élaboration in situ de ces alliages à partir de poudres élémentaires de Ti et de Nb est explorée, à la fois pour permettre d’éventuels ajustements de composition, et pour pallier au manque de disponibilité des alliages de titane sous forme de poudres. La démarche est réalisée avec deux morphologies de poudre, irrégulière et sphérique. Les effets des nombreux paramètres de ce procédé (puissance du laser, vitesse et stratégie de balayage...) sur l’homogénéité et la porosité des pièces élaborées sont quantifiés. Un alliage homogène peut être obtenu sous réserve de l’utilisation d’une densité d’énergie adaptée et d’une granulométrie de poudre tenant compte des températures de fusion respectives des éléments. La caractérisation de la microstructure met en évidence une texture marquée, dépendante de la stratégie de balayage. Les pièces élaborées présentent un bas module d’élasticité associé à une résistance mécanique élevée, avec une déformation élastique favorable par rapport à un alliage de référence coulé. Par ailleurs, un algorithme d’optimisation est développé et permet de contrôler les propriétés mécaniques d’une structure architecturée à partir de ses paramètres géométriques (rayon, longueur et orientation des poutres). La combinaison de cet alliage de titane à bas module d’élasticité et d’une structure architecturée développée à partir ce cet algorithme a été appliqué à une prothèse totale de hanche, qui a fait l’objet de simulations par éléments finis. L’évaluation du phénomène de stress-shielding montre que, comparativement à un modèle massif plus rigide, ce type de prothèse permet de réduire de façon significative la déviation des contraintes. En se rapprochant du modèle dit physiologique, cette prothèse peut être qualifiée de « biomimétique » sur le plan du comportement mécanique
The initial problematic arises from the fact that implant failure is often caused by a mismatch between the elastic properties of the bone and those of the implant. Nowadays, an increasing interest is given to this mechanical biocompatibility and led to the development of β-metastable titanium alloys that possess low Young’s modulus, about half that of the conventionally used Ti-6Al-4V alloy. Moreover, lattice structures are currently being the subject of many investigations with the aim of achieving low Young’s modulus and high strength. Their fabrication, with accurate control over the architecture, is made possible thanks to additive manufacturing processes and the several possibilities they offer: design freedom, reduced material usage rate, complex shapes, mass customisation... The present work focuses on the implementation of low modulus titanium alloy Ti-26Nb(at.%) by the means of selective laser melting. An in situ elaboration strategy, based on a mixture of elemental powders, is explored in order to allow potential composition adjustments and to overcome the unavailability of titanium alloy powders. The approach is carried out using two distinct powder morphologies, spherical and irregular. The effects of the numerous parameters of the process (laser power, speed, scanning strategy...) on homogeneity and porosity of the manufactured parts is quantified. A homogeneous alloy can be obtained subject to the use of suitable energy density levels and powder size distributions that take into account the respective fusion temperatures of both elements. Microstructure characterisation highlights a pronounced texture resulting from the scanning strategy. The elaborated samples display a low Young’s modulus associated with a high strength, and hence a favourable strength to elastic modulus ratio compared to the reference cast alloy. Furthermore, an optimization algorithm is developed and allows controlling the mechanical properties of a lattice structure with its geometrical parameters (radius, length and orientation of struts). The combined use of this low Young’s modulus titanium alloy with a lattice structure developed through this algorithm was applied to the design of a total hip prosthesis that was subjected to finite element simulations. Stress-shielding evaluation shows that, compared to a solid design, this kind of prosthesis permits to reduce stress-shielding significantly. By getting closer to a physiological model, this prosthesis can be qualified as “biomimetic” in terms of mechanical behaviour

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Godineau, Kévin. "Optimisation du pilotage de chaînes opto-mécaniques pour l'exécution de trajectoires en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLN019.

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Abstract:

En fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre, la géométrie et les caractéristiques mécaniques des pièces produites sont générées au cours de la fabrication. Ces deux aspects sont grandement influencés par les trajectoires du spot laser et par la maîtrise de l'énergie apportée à la poudre localement. La commande numérique dont le rôle est de générer les consignes à envoyer aux actionneurs a donc un impact conséquent sur la qualité des pièces produites.Ces travaux proposent d'étudier l'impact des traitements effectués dans la commande numérique sur les trajectoires réalisées et sur l'énergie apportée à la matière. Dans la littérature, peu de travaux traitent de ces aspects en fabrication additive. C'est pourquoi une plateforme expérimentale est mise en œuvre et utilisée afin d'analyser et de mieux comprendre les opérations actuellement implémentées dans les commandes numériques industrielles.Un modèle mathématique représentatif de la géométrie de la machine est d'abord établi. Ce modèle permet de convertir les trajectoires du spot laser en consigne pour les actionneurs. Le modèle développé est utilisé afin d'améliorer l'étape de calibration des machines. Une fois le système calibré, les consignes envoyées aux actionneurs sont étudiées. Les différents traitements effectués dans la commande numérique industrielle sont analysés, des limitations sont mises en évidence et plusieurs propositions d'améliorations sont implémentées. Tous ces développements sont ensuite utilisés afin de maîtriser finement l'énergie apportée à la matière dans le cas de certaines trajectoires adaptées au procédé. Les développements scientifiques proposés dans ces travaux sont tous validés expérimentalement sur une machine de fabrication additive ou sur le banc d'essai développé. Les travaux effectués permettent d'envisager de nombreuses perspectives concernant l'amélioration des traitements réalisés dans la commande numérique en fabrication additive
In metal additive manufacturing by laser powder bed fusion, the geometry and mechanical characteristics of the produced parts are generated during the manufacturing process. These two aspects are greatly influenced by the laser spot trajectories, and by the control of the energy provided to the powder locally. The numerical control system, whose purpose is to generate instructions to be sent to actuators, has therefore a significant impact on the quality of the parts produced.This work proposes to study the local impact of the operations carried out in the numerical control on both the trajectories executed and the energy provided to the material. In the literature, few studies have addressed these aspects in additive manufacturing. For this reason, an experimental platform is implemented and used to analyze and better understand the operations currently implemented in industrial numerical controls.First, a mathematical model representative of the machine geometry is established. This model converts the laser spot trajectories into instructions for actuators. The model developed is used to improve the calibration step of the machines. Once the system is calibrated, the instructions sent to the actuators are studied. The various processes carried out in the industrial numerical control are analysed, limitations are highlighted and several proposals for improvements are implemented. All these developments are then used to precisely control the energy supplied to the material in the case of certain trajectories adapted to the process. The scientific developments proposed in these works are all validated experimentally on an additive manufacturing machine or on the test bench developed. The work carried out makes it possible to envisage many perspectives concerning the improvement of the treatments carried out inside the numerical control in additive manufacturing

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Annovazzi, Alicia. "Contribution à l'étude - interaction laser-matière à différentes pressions résiduelles : Application au procédé micro-fusion laser sur lit de poudre." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2020. http://www.theses.fr/2020UBFCA024.

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Abstract:

Le procédé de micro-fusion sur lit de poudre par faisceau laser (LBM) et par faisceau d’électrons (EBM) sont deux procédés de fabrication additive permettant la réalisation de pièces métalliques. L’intense densité d’énergie fournie par ces deux sources permet la fusion locale de la matière formant ainsi un bain liquide, qui se solidifie après refroidissement. Ce changement d’état, qui se déroule sur des temps très courts, induit de complexes phénomènes thermodynamiques. Chacun de ces procédés offre des avantages qu’il serait intéressant de combiner. De ce fait, une combinaison des deux technologies a été investiguée. Le procédé EBM nécessitant un vide poussé dans l’enceinte de travail, l’enjeu de cette thèse repose donc sur l’étude de la fusion laser à faible pression environnante. Outre la combinaison recherchée, la fusion laser sous vide peut s’avérer intéressante dans l’amélioration de la santé matière des pièces, en particulier pour des matériaux sensibles à l’oxygène. Cependant, une nette diminution du rendement du procédé est observée. Ce travail de thèse s’articule en deux parties : a) En premier lieu, une étude expérimentale de la fabricabilité d’échantillons à différentes pressions a été réalisée. Pourdes paramètres de fabrication identiques, il en ressort qu’une diminution significative de la densification des échantillons est obtenue lors de la fabrication à faibles pressions. Les paramètres densité d’énergie volumique et vitesse de déplacement du laser ont dû être alors adaptés en fonction de la pression environnante utilisée. b) La seconde partie a été consacrée à l’explication des mouvements du bain liquide qui ont évolué en fonction de la pression résiduelle. A cet effet, une caméra rapide a permis de montrer les importantes instabilités présentes dans le lit de poudre par la zone de dénudation, et le bain liquide par sa morphologie, pour certains paramètres laser. Ces phénomènes ont été d’autant plus observés pour des pressions résiduelles inférieures à 30 mbar. Enfin, le pré-frittage du lit de poudredans le but d’effectuer un recuit "in-situ" des matériaux étudiés, a montré un effet bénéfique lors de l’interaction laser-matière sous vide. Une amélioration de la qualité de fusion et une augmentation du rendement de fabrication ont été alors démontrées
The laser beam melting (LBM) and electron beam melting (EBM) processes are two additive manufacturing technologies allowing the production of metallic parts. The intense energy density provided by the power supply is sufficient in order to melt the material creating a molten pool, and will solidify after cooling. This change of phase which takes place in a very short time, induced complexthermodynamics phenomena. Each of the processes offer advantages that could be interesting to be combined. Hence, a combination of the two technologies has been investigated. The EBM process requiring a rough vacuum in the work chamber, the issue of this work is based on the study of the laser melting at low pressure. Besides the intended combination, the selective laser melting under vacuum pressure can be attractive with the aim of improving the material integrity, in particular on the oxygen-sensitive materials. However, a clear decrease of the process efficiency has been observed. This work includes two parts: a) Firstly, an experimental study of samples fabricability at different pressures conditions is observed. For the same manufacturing parameters, a significant decrease of samples densification is observed in rough vacuum. The parameters volumetric energy density and the laser displacement speed have to beadapted in function of the chamber pressure. b) The second part is an attempt to explain the molten pool motion which change depending on the pressure. This can be achieved with a fast cam allowing the observations of strong instabilities in the powder bed with the denudation zone, and the molten pool with the morphology, for specific laser parameters. These phenomena are more important for residual pressures under 30 mbar. Then, a powder bed pre-sintering for the purpose of ”in-situ” annealing of the materials studied, has shown the beneficial effect during the interaction laser-powder under vacuum. Improvement melt quality and increased manufacturing efficiency have beenachieved

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Kang, Nan. "Élaboration "in-situ" par mélanges de poudres de composites à matrice métallique au cours du processus de fabrication additive." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2016. http://www.theses.fr/2016BELF0305/document.

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Abstract:

La micro fusion laser d'un lit de poudre (SLM) permet la réalisation de pièces complexes avec des microstructuresfines. Cette technologie présente de nombreux avantages mais se heurte encore à une faible disponibilité des poudres d'alliages. En SLM, la pièce est d'abord conçue par CAO (conception assistée par ordinateur), puis construite couche par couche avec un faisceau laser commandé par un ordinateur. Dans ce cadre, le travail effectué dans cette thèse a consisté à étudier et à développer une nouvelle méthode pour réaliser des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres élémentaires, ouvrant ainsi la voie à une grande variété de compositions.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système aluminium-silicium avec différentes teneurs en silicium (12, 18 et 50% en poids). L'effet de l'ajout d'un champ magnétique statique a aussi été proposé comme un outil supplémentaire de contrôle de la microstructure.Dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition des phases et les propriétés mécaniques du produit. Une analyse systématique de l'effet de ces paramètres sur l'alliage Al - Si fabriqué par SLM à partir de mélanges de poudres est présentée. Des alliages ont été ainsi obtenus pour plusieurs domaines de composition visés correspondant à des applications pratiques (structures légères, système tribologique, emballage électronique, ...).Les microstructures fines obtenues grâce à la solidification rapide des matériaux fondus conduit à des propriétés quise comparent de façon favorable à celles obtenues avec les techniques classiques d'élaboration et de mise en oeuvre
As a new manufacturing technology, Selective laser melting (SLM) has a large potential in the manufacturing of complex parts with ultrafine microstructure.Selective laser melting has many significant advantages over traditional manufacturing methods but still faces a low availability of powder materials. With SLM, the part is firstly designed via 3D computer-aided design (CAD)), then built layer-by-layer with a high energy computer-controlled laser beam The work done in this study was therefore aiming at developing a new way to obtain alloys and composites directly from elemental powder mixtures with a large composition flexibility.Experimentally the choice was made of the aluminum-silicon system with several silicon contents (12, 18, 50 wt. %).Adding a static magnetic field was also considered as an additional way to control the microstructure. When parts are manufactured by SLM, laser power and scanning speed are the main parameters determining the density, microstructure, phase composition and mechanical properties. A systematic analysis of the role of these parameter on the manufacturing of Al - Si alloys by SLM from mixtures of powders was therefore conducted. Al - Si alloys with a very fine microstructure were thus obtained for several composition ranges corresponding to practical applications (lightweight structures, high wear resistance alloys, electronic packaging material, ...). The properties of the materials obtained in this way, according to the performed characterizations, compares favorably with those obtained via the conventional production technologies

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Masmoudi, Amal. "Modélisation et développement expérimental du procédé de fabrication additive par fusion laser sélective d'un lit de poudre métallique : influence de la pression de l'atmosphère." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2016. http://www.theses.fr/2016BELF0287/document.

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Abstract:

Le procédé de fusion sélective par laser (SLM) d’un lit de poudre métallique, est un procédé de fabrication additive qui permet de fabriquer des pièces de forme complexe directement à partir d’un fichier CAO en passant par la fusion totale de couches de poudre déposées successivement. Au cours du procédé SLM l’apport d’énergie du laser à la cible engendre de nombreux cycles thermiques: fusion – vaporisation – solidification. Dans ce contexte, cette thèse a pour double objectif :1) une meilleure caractérisation et compréhension des phénomènes qui se produisent lors de l’interaction du faisceau laser avec la poudre et le bain de métal fondu à l’aide d’essais et 2) le développement d’un modèle numérique prenant en compte les phénomènes de fusion et de vaporisation de la matière ainsi que à la présence du gaz environnant à l’intérieur de la chambre de fabrication.Dans un premier temps, en considérant des géométries simples (cordons et surfaces) en acier inoxydable 316L, on a étudié l’interaction faisceau laser - lit de poudre / bain liquide métallique par différentes méthodes de diagnostics (spectrométrie, calorimètre, …) pour comprendre la nature et le rôle de la vapeur métallique générée au cours du procédé. Les résultats ont montré que cette vapeur est sans effet sur la transmission de l’énergie du laser à la matière au cours du procédé SLM. Par contre, elle conduit à la formation de condensats et peut aussi entrainer des gouttelettes de métal fondu.Ces analyses ont permis, dans un second temps, de développer un modèle numérique qui a pour objectif principal de caractériser l’influence de la pression du milieu environnant sur le processus de fusion du lit de poudre par le faisceau laser. Des paramètres caractérisant l’évolution des propriétés physiques du matériau et du milieu gazeux en fonction de la température et de la pression ont été intégrés dans les bases de données du modèle. Ces paramètres physiques du matériau ont été déterminés à partir de la littérature et d’autres ont été obtenus empiriquement à l’aide de mesures expérimentales spécifiques.Ce modèle numérique a été utilisé pour traiter le sujet principal de la thèse, à savoir celui de l’effet de la pression. Le modèle a permis de préciser les phénomènes physiques inhérents à la variation de la pression. Des manipulations expérimentales ont permis de vérifier la pertinence des données du modèle numérique proposé
The selective laser melting process (SLM) of a metallic powder bed is an innovative process that allows the manufacturing of complex shape parts directly from a CAD file via a complete melting of powder layers deposited successively. During the SLM process, the high laser energy density creates many thermal cycles: melting - vaporization - solidification.The purpose of this work was: 1) to better characterize and understand experimentally the phenomena that occur during the laser beam - powder / molten metal pool interaction and 2) to develop a numerical model taking into account the phenomena of melting and vaporizing of the material and the presence of the surrounding gas in the build chamber.In a first time, considering simple geometries (tracks and surfaces) and 316L stainless steel as material, we studied the interaction between the laser beam, the powder bed and the liquid metal pool using several experimental techniques (spectrometry, calorimetry, ...) in order to understand the nature and the role of the metal vapor generated during the process. The results showed that the vapor has no effect on the transmission of the laser beam energy to the material during the SLM process. Meanwhile it leads to the deposition of condensed vapor and also drag some molten metal droplets.In a second time a numerical model was developed to determine the influence of the pressure of the surrounding environment on the melting process of a powder bed by a laser beam. Parameters characterizing the evolution of the physical properties of the material and of the gaseous medium according to the temperature and pressure were incorporated into the model database. Some material parameters were determined from the literature and others were obtained empirically using specific experimental measurements.Finally, this numerical model, complementing experimental results, was used to treat the main subject of the thesis which is the effect of the surrounding pressure on the SLM process. The model helped to clarify the physical phenomena provided by the change in the pressure level and its validity was checked through experimental measurements

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Song, Bo. "Nouvelles voies de fabrication d'alliages métalliques à hautes performances à partir de poudres." Phd thesis, Université de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01004824.

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Abstract:

La fusion sélective par laser (Selective Laser Melting, SLM), une des techniques de la fabrication additive (AM), permet la production de pièces en trois dimensions (3D) de formes complexes directement à partir de poudres métalliques. Elle présente de nombreux avantages significatifs par rapport aux méthodes traditionnelles de fabrication mais se heurte encore à une faible disponibilité des matériaux en poudre.Le travail effectué dans cette étude a donc consisté à étudier et à développer un nouveau moyen pour réaliser in situ des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système Fer-Aluminium et sur un renforcement par des particules de SiC.Les essais ont permis de constater que dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition de phase et les propriétés mécaniques.À partir d'un mélange de poudres, des phases intermétalliques ont été obtenues en contrôlant les paramètres SLM. Un traitement thermique ultérieur influence les paramètres cristallins, le degré d'ordre et les propriétés mécaniques des pièces ainsi formées.Avec l'utilisation de poudres préalliées, un phénomène de texture a été observé prenant la forme de grains allongés/colonnaires orientés dans la direction de construction.Le renforcement de la matrice de fer par des particules de SiC de différentes tailles conduit à une modification structurale avec la formation de produits d'interaction, perlitie et martensite, conduisant à une amélioration de la résistance à la traction par rapport au Fe pur.

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Dupin, Stéphane. "Etude fondamentale de la transformation du polyamide 12 par frittage laser : mécanismes physico-chimiques et relations microstructures/propriétés." Phd thesis, INSA de Lyon, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00782461.

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Abstract:

Les procédés de fabrication additive permettent, à partir d'un fichier de CAO, la fabrication de pièces complexes sans outillage, dans des délais de développement très courts et avec une grande flexibilité. Parmi les procédés de fabrication additive employés avec les polymères, le frittage laser de poudre est le plus utilisé. Ces travaux de thèse sont consacrés à l'étude et la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués lors du procédé de frittage laser de poudres de polyamide 12. Au cours du procédé de frittage laser de nombreux paramètres interviennent. Ainsi l'énergie fournie à la poudre par l'intermédiaire du rayon laser dépend de la puissance de celui-ci, de la vitesse de balayage et de l'espacement entre deux balayages successifs. De plus, le matériau subit un cycle thermique sévère : avant d'être frittée, la poudre est préchauffée. Puis, dans le bac de fabrication, la poudre non frittée ainsi que les pièces séjournent pendant toute la durée de la fabrication à des températures élevées. Cette histoire thermique entraîne un vieillissement et donc une modification des propriétés de la poudre ce qui complique sa réutilisation. L'influence de ces différents paramètres sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces finales a été mise en évidence. De plus l'utilisation de différentes poudres de polyamide 12 a permis l'identification des paramètres-clés de la matière.Le frittage laser des polymères semi-cristallins est régi par plusieurs mécanismes fondamentaux : la fusion des particules de poudre, l'interdiffusion des chaînes macromoléculaires aux interfaces, la coalescence des particules fondues, la densification et enfin la cristallisation. L'étude et la modélisation de la cristallisation ont été effectuées pour l'un des polyamides 12 employés au cours de cette thèse. De ce traitement théorique ont pu être déduits les temps de maintien du polymère à l'état fondu au cours du procédé. Dans une seconde phase, des analyses rhéologiques menées dans le cadre de la viscoélasticité linéaires des polymères à l'état fondu ont permis de déduire les temps d'interdiffusion des chaînes macromoléculaires. Par ailleurs, le processus de coalescence des particules de poudres à l'état fondu a été suivi expérimentalement et modélisé pour différentes températures. Ces temps ont été confrontés à la durée de maintien du polymère à l'état fondu, confirmant ainsi la bonne consolidation obtenue lors du frittage du polyamide 12. En conclusion, ce travail contribue à la compréhension des différents mécanismes physico-chimiques intervenant au cours du frittage laser : il permet d'expliciter de façon assez approfondie les relations entre les propriétés des poudres, les paramètres du procédé et les propriétés finales des pièces. De nombreuses préconisations relatives à l'optimisation des propriétés des poudres pourront être déduites de ce travail et aideront au développement de nouveaux matériaux adaptés à ce procédé.

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Liu, Xin. "Numerical modeling and simulation of selective laser sintering in polymer powder bed." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEI012/document.

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Abstract:

La fabrication additive est l’un des secteurs industriels les plus en développent ces dernières années. L’une de ces technologies de fabrication les plus prometteuses est la fusion laser sélective (SLS), et relève d’un intérêt croissant aussi bien industriel qu’académique. Néanmoins, beaucoup de phénomène mis en jeu par ce procédé demeure non encore bien compris, entravant ainsi son développement pour la production de pièces de bonne qualité pour des applications industrielles. L’objectif de cette thèse est de développer un cadre de simulation numérique permettant la simulation du procédé SLS pour des poudres de polymère afin de comprendre les multiples et complexes phénomènes physiques qui se produise lors du frittage laser et d’étudier l’influence des paramètres du procédé sur la qualité du produit final. Contrairement aux approches classiques de modélisation numérique, basées sur la définition de matériaux homogène équivalents pour la résolution des équations de bilan, nous proposons une simulation globale du procédé du frittage laser de poudres, en utilisant la méthode des Eléments Discrets (DEM). Cela consiste en un couplage entre quatre sous-modèles : transferts radiatif dans le milieu granulaire semi-transparent, conduction thermique dans les milieux discrets, coalescence puis densification. Le modèle de transferts par rayonnement concerne l’interaction du faisceau laser avec le lit de poudre. Plusieurs phénomènes sont ainsi pris en compte, notamment la réflexion, la transmission, l’absorption et la réfraction. De plus, une méthode de Monte-Carlo couplée à la méthode du Lancer de rayons est développée afin d’étudier l’influence de la réfraction sur la distribution de l’énergie du laser dans le lit de poudre. Le modèle de conduction dans des milieux discrets décrit la diffusion thermique inter-particules. Finalement, le modèle de frittage décrit les cinétiques de coalescence et de diffusion de l’air dans le polymère et densification du milieu. Cela permet de décrire les cinétiques de fusion des grains, dont l’énergie de surface et la diffusons de l’air sont les deux moteurs principaux. Le couplage entre les différents modèles nous a permis de proposer un modèle numérique global, validé grâce à des comparaisons à des résultats de simulations théoriques et expérimentales, trouvés dans la littérature. Une analyse paramétrique est alors proposée pour la validation du modèle et l’étude du procédé. L’influence de différents paramètres aussi bien du procédé que du matériau sur le champ de température, la densité relative du matériau sa structure, etc , est ainsi investiguée. Les résultats montrent une bonne précision dans la modélisation des différents phénomènes complexes inhérents à ce procédé, et ce travail constitue un potentiel réel pour la modélisation et l’optimisation des procédés de fabrication additive par matériaux granulaires
Many industrial and academic interests concerning the additive manufacturing processes are developed in the last decades. As one of the most promising technique of additive manufacturing, the Selective Laser Sintering (SLS) has been valued by both industry and academic. However, it remains that several phenomena are still not well understood in order to properly model the process and propose quality improvement of parts made. The goal of this Ph.D. project is to develop a framework of numerical simulation in order to model the SLS process in polymer powder bed, meanwhile understanding multiple physical phenomena occurring during the process and studying the influence of process parameters on the quality of final product. In contrast to traditional approach, based on the equivalent homogeneous material in numerical modeling of partial differential equations derived from conservation laws, we propose a global model to simulate powder-based additive manufacturing by using the Discrete Element method (DEM). It consists in a coupling between four different physical models: radiative heat transfer, discrete heat conduction, sintering and granular dynamics models. Firstly, the submodel of radiative heat transfer concerns the interaction between the laser beam and powder bed. Several phenomena are considered, including the reflection, transmission, absorption and scattering. Besides, a modified Monte Carlo ray-tracing method is developed in order to study the influence of scattering on the distribution of the deposited laser energy inside the powder bed Furthermore, the submodel of discrete heat conduction describes the inter-particles heat diffusion. Moreover, the sintering submodel concerns the phenomena of coalescence and air diffusion. It describes the melting kinetics of grains, driven by surface tension and the release of entrapped gases inside powder bed. Finally, the granular dynamics submodel concerns the motions and contacts between particles when depositing a new layer of powders. The coupling between these submodels leads to propose a global numerical framework, validated by comparing the results to both simulated and experimental ones from literatures. A parametric study is then proposed for model validation and process analysis. The Influence of different material and process parameters on the evolution of temperature, relative density and materials structure and characteristics are investigated. The results exhibit accurate modeling of the complex phenomena occurring during the SLS process, and the work constitute a great potential in modeling and optimization of additive processes

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Regniere, Matthieu. "Impact du conditionnement de poudres de Ti6Al4V sur le procédé de fusion sélective laser." Thesis, Lyon, 2017. http://www.theses.fr/2017LYSEM038/document.

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Abstract:

La fusion Sélective Laser (SLM), en tant que procédé de fabrication additive, permet la conception de formes complexes par une méthode de construction couche par couche, à partir d’un lit de poudre. L’interaction entre la poudre et l’onde électromagnétique est encore trop peu maîtrisée pour stabiliser efficacement la zone de fusion, et optimiser l’énergie utilisée lors du procédé. Cette étude a pour objectif : (a) la compréhension et la maîtrise des mécanismes de mise en couche par rouleau, propre aux machines SLM Phenix; (b) l’analyse et la quantification des évolutions morphologiques et microstructurales de cordons de fusion en fonction des paramètres du procédé SLM et des paramètres du lit de poudre définis précédemment ; (c) l’élaboration d’un modèle thermique et microstructurale représentatif de l’édification de cordons unitaires par le procédé SLM. Lors de cette étude, le procédé de mise en couche par rouleau a été étudié, et modélisé, afin de contrôler les épaisseurs et taux de compacités du lit de poudre. Les caractéristiques des cordons unitaires de Ti6Al4V produits par SLM ont pu alors être analysées en fonction des paramètres du lit de poudre et des paramètres énergétiques. Cette démarche a pour but de quantifier l’impact du conditionnement du lit de poudre sur le mécanisme de fusion SLM. Par la suite, une analyse fine et une reconstitution microstructurale a pu en être dégagée. Enfin, un modèle thermique radiatif couplé à une prédiction microstructurale des cordons unitaires a pu être élaboré, permettant ainsi une compréhension approfondie du mécanisme de fusion
Selective Laser Melting (SLM), through additive manufacturing process, allows the conception of specific shapes through a layer-by-layer building method from a powder bed. The emphasis between processing parameters as, laser power, scan speed, scan strategy… has already been well investigated for a wide panel of material. Nevertheless, the powder interaction with electromagnetic waves remains a topical issue to handle the stabilization of the melting pool, and optimize the amount of energy used within the process.The purpose of this survey is : (a) the understanding and handling of powder bed layering mechanism through SLM Phenix rolling blade ; (b) the analysis and quantification of morphological and microstructural evolutions single tracks according to SLM process and powder bed parameters ; (c) development of a thermal and microstructural model standing for post SLM single tracks edification.First of all, the process of powder spreading by rolling blade has been investigated in order to tame and modelize the porosity and effective thickness of the powder bed. Thereafter, characteristics of Ti6Al4V single tracks produced by SLM were analyzed according to process and bed powder parameters. This approach tends to quantify the impact of the powder bed packing on the SLM melting mechanism. Accordingly, fine microstructural analysis and reconstruction have been extracted. Finally, a radiative thermal model linked to a microstructural prediction of single tracks has been settled, leading to a deeper understanding of the melting mechanism

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Stef, Jonathan. "Fusion Laser Selective de poudres de TA6V : microstructure et mécanismes de formation des porosités en lien avec les paramètres du procédé SLM et les propriétés structurales." Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0433/document.

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Abstract:

Le procédé de fusion laser sélective (SLM) est un procédé de fabrication additive des matériaux métalliques de type « Lit de poudre ». Il s’inscrit dans le concept de l’usine 4.0 et s’oppose aux procédés d’élaboration conventionnels où la matière est soustraite, déformée ou moulée. A partir d’un modèle numérique, les pièces sont élaborées couche par couche par ajout de matière. Le procédé SLM possède d’indéniables avantages car il permet de réaliser des économies de matière, de réduire les coûts de transport et d’élaborer des produits de petites tailles et/ou de formes complexes. Il s’inscrit également dans le concept de personnalisation de masse et de relocalisation des usines à proximité des lieux de consommation. Il souffre cependant d’un manque de répétabilité et de contrôle des propriétés des matériaux élaborés, ce qui entrave son développement à une plus grande échelle. Cela vient principalement du fait que les propriétés résultantes dépendent d’interactions complexes et encore mal cernées entre les caractéristiques des poudres entrantes, les paramètres du procédé et les paramètres microstructuraux. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous proposons de mieux comprendre les liens qui existent entre les paramètres d’élaboration de pièces en titane Ti-6Al-4V, la formation de porosités, leur microstructure et leurs propriétés structurales. Pour ce faire, une étude paramétrique a été conduite afin d’évaluer l’influence des paramètres puissance du laser, vitesse de balayage et espacement de lasage. Trois densités d’énergie ont été considérées (50, 75 et 100 J/mm3) et une stratégie de lasage rotative a été imposée. A partir d’une approche originale combinant des analyses 2D de faciès de rupture et des analyses 3D par tomographie X des pièces, deux mécanismes de formation des porosités ont été identifiés et caractérisés pour une densité d’énergie de 50J/mm3 : le manque de fusion et la dénudation. Dans ce cas, il est montré que la distribution spatiale des porosités est liée à la stratégie de lasage et que la fraction et la densité volumiques des porosités dépendent du couple « puissance du laser » et « vitesse de balayage ». Pour des densités d’énergie plus élevées (75 et 100 J/mm3), deux nouveaux mécanismes de formation des porosités ont été identifiés : celui par surfusion de la matière et celui par piégeage de gaz. Au niveau microstructural, l’ensemble des échantillons analysés présentent une structure martensitique α’ peu texturée. Pour une même densité d’énergie, la morphologie des grains de la phase mère β et la taille des aiguilles martensitiques α’ dépendent des paramètres du procédé. Une étude fine menée en Microscopie Electronique en Transmission a permis d’identifier avec certitude des macles non répertoriées dans la littérature. Il s’agit premièrement de macles de type {01-11} <-211-1>a' ou {0-111} <2-1-11>a’ avec une rotation de 57° autour de l’axe de zone [2-1-10]a’, un cisaillement dû au maclage de 0,542, et deuxièmement, de macles de type {01-11}<-12-15>a’ ou {-1011}<7-814>a’ avec une rotation de 63° autour de l’axe de zone [1-2-21]a’ et un cisaillement dû au maclage de 0,963. Ces macles témoignent d’un phénomène de relaxation des contraintes qui seraient induites par les vitesses de refroidissement importantes et la transformation martensitique. Au niveau des propriétés mécaniques, la présence de porosités diminue la ductilité du matériau, même pour des fractions de porosités relativement faibles (<1%). La reconstructions 3D d’un échantillon rompu par traction montre qu’il existe un lien biunivoque entre la répartition des porosités et le chemin des fissures. Enfin, les porosités formées par manque de fusion et par dénudation sont plus préjudiciables aux propriétés mécaniques que celles formées par surfusion. Ceci est à mettre en parallèle avec les fractions volumiques et les morphologies des porosités pour chaque mécanisme de formation
Selective Laser Melting (SLM) is an additive manufacturing process of metallic parts based on powder bed fusion (PBF). SLM is part of the industry 4.0 concept and is opposed to conventional manufacturing processes where the material is either subtracted, deformed or molded. From a numerical model, parts are built by material addition layer by layer. The SLM process has incontestable advantages as it offers the possibility of making small parts with complex shapes and reducing transportation costs. It also promotes mass customization and relocation of factories close to customers. However, the SLM process suffers of a lack of repeatability and control of manufactured parts which hinders its development on a larger scale. Among the possible reasons, the control of part properties is made difficult since it depends on many complex interactions between the input powders, the process parameters and microstructural features.In this work, we propose to investigate the relationships between manufacturing process parameters of Ti-6Al-4V titanium alloy parts, the mechanisms of formation of their voids, their microstructure and their structural properties. In this purpose, a parametric study was conducted to evaluate the influence of laser power, scanning speed and hatch-spacing parameters. Three energy densities were considered (50, 75 and 100J/mm3), and a rotative scanning strategy was chosen.From an original approach based on 2D fracture surface and 3D-Xray tomography analysis of parts, two mechanisms of pore formation were identified and investigated. For 50J/mm3, the spatial distribution of voids is shown to be dependent to the scanning strategy. The volume fraction and density of pores depend on the laser power and the scanning speed. For higher energy densities (75 and 100 J/mm3), two new mechanisms of pore formation were identified corresponding to over-melting and gas trapping.Concerning the microstructure, the whole characterized specimens have shown a weakly textured α’ martensitic structure. For a same energy density, prior-β grain morphology and α’ needle size were revealed to be dependent to the process parameters. Fine investigations carried out by Transmission Electron Microscopy underscored the presence of un-identified twins in literature. They are first, twins of type {01̅11} <2̅111̅>a’ or {01̅11} <21̅1̅1>’ with a rotation of 57° around the [21̅1̅0]a’ zone axis and a twinning shear of 0,542, and secondly, twins of type {011̅1}<7̅ 21 14 11>a’ or {1̅011}<11 14 1̅ 0>a’ with a rotation of 63° around the [12̅2̅1]a’ zone axis and a twinning shear of 0,963. These twins would indicate that a stress relaxation phenomenon takes place, induced by the high cooling rates and the martensitic transformation.Concerning mechanical properties, porosity affects the material ductility. Its behavior is more brittle even when the volume fraction of voids is small (<1%). 3D reconstruction of a tensile broken specimen attests a one to one relationship between the spatial distribution of pores and the crack path. Finally, pores formed by a lack of fusion and denudation are more detrimental for mechanical properties than over melting ones. This analyze is also performed by comparison with the volume fraction and the morphology of voids corresponding to each mechanism of formation

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Ruggi, David. "Mise en œuvre de poudres de polyamides : Influence des conditions de transformation sur la microstructure et les propriétés. Application à la fabrication additive par fusion laser." Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSEI057.

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Abstract:

La fusion laser est un procédé de fabrication additive transformant une poudre de polymère, déposée couche par couche, par fusion grâce à un faisceau laser balayant des zones précises de chaque couche. Les étapes de transformation d’un polymère semi-cristallin par fusion laser sont : l’écoulement de la poudre à haute température, la fusion-coalescence des particules, la résorption des porosités et la solidification par cristallisation lors du refroidissement. Les paramètres prépondérants sont la puissance du laser et le champ de température dans le bac de fabrication. Le matériau subit des températures élevées et des variations thermiques dont les cinétiques sont encore mal connues. La cohésion des couches successives et la microstructure de l’objet fabriqué (porosité, cristallinité) dépendent de ces conditions thermiques complexes. Les relations entre microstructure, propriétés finales et histoire thermique du matériau ne sont pas complètement élucidées. Dans ce travail, deux poudres de polyamides (PA 6 et PA 12) sont étudiées. Tout d’abord, les processus physiques décrits plus haut sont analysés dans des conditions de laboratoire avec une histoire thermique contrôlée. Cela permet de mieux comprendre et de modéliser le rôle des propriétés intrinsèques du polymère dans les phénomènes physicochimiques de sa transformation aux différentes échelles. Cette étude donne accès aux échelles de temps de ces mécanismes, en fonction de la température, et aux microstructures qui en découlent. Ensuite, des pièces sont produites par deux méthodes de fusion de poudre, l’une en laboratoire sur plaque chauffante, l’autre en machine industrielle de fusion laser. La connaissance des temps caractéristiques de la coalescence, de l’évolution des porosités et de la cristallisation permet d’expliquer la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces en relation avec leur méthode de production et l’histoire thermique associée. Cette analyse apporte un nouvel éclairage sur le développement des microstructures de polyamides transformés par fusion laser et les propriétés qui en découlent
Selective Laser Sintering, also called Powder Bed Fusion, is an additive manufacturing process that transforms a polymer powder layer-by-layer by melting with a laser beam scanning specific areas of each layer. The stages of transformation of a semi-crystalline polymer by laser fusion are: the flow of the powder at high temperature, the melting-coalescence of the particles, the resorption of the porosities and the solidification by crystallization during cooling. The most important parameters are the power of the laser and the temperature field in the manufacturing tank. The material undergoes high temperatures and thermal variations whose kinetics are still poorly known. The cohesion of the successive layers and the microstructure of the manufactured object (porosity, crystallinity) depend on these complex thermal conditions. The relationships between microstructure, final properties and thermal history of the material are not fully understood. In this work, two powders of polyamides (PA 6 and PA 12) are studied. First, the physical processes described above are analyzed under laboratory conditions with a controlled thermal history. This makes it possible to better understand and to model the role of the intrinsic properties of the polymer in the physicochemical phenomena involved in its transformation at different scales. This study gives access to the time scales of these mechanisms, as a function of temperature, and to the resulting microstructures. Then, parts are produced by two methods of powder melting, one in the laboratory on a hot plate, the other in an industrial SLS machine. Knowledge of the characteristic times of coalescence, evolution of porosities and crystallization enables to explain the microstructure and the mechanical properties of the objects in relation to their production method and the associated thermal history. This analysis sheds new light on the development of microstructures of polyamides transformed by laser fusion and the resulting properties

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Kottman, Michael Andrew. "Additive Manufacturing of Maraging 250 Steels for the Rejuvenation and Repurposing of Die Casting Tooling." Case Western Reserve University School of Graduate Studies / OhioLINK, 2015. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=case1416854466.

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Marion, Guillaume. "Modélisation de procédés de fabrication additive de pièces aéronautiques et spatiales en Ti-6AI-4V par dépôt et fusion sélective d'un lit de poudre par laser : Approche thermique, métallurgique et mécanique." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016PSLEM055.

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Abstract:

La fabrication additive est une famille de procédés permettant de construire des pièces finies, saines, de géométries très complexes, tout en diminuant le temps de développement des pièces, les coûts et les délais vis-à-vis des techniques de fabrication conventionnelles. Le point commun à tous ces procédés est de construire une pièce directement à partir des données CAO définissant sa géométrie sans outillage autre que la machine de fabrication additive.Cette thèse de Doctorat s'inscrit dans le projet de recherche FALAFEL (Fabrication Additive par procédé LAser et Faisceaux d’ÉLectrons) rassemblant les filières aéronautique et procédés laser dans le but de mettre en œuvre, d’améliorer et de valider des procédés de fabrication additive de pièces métalliques, dans des conditions industrielles et sur des composants aéronautiques.L'objectif est de proposer un modèle numérique permettant d’obtenir, dans des temps raisonnables, des informations sur les caractéristiques thermique, métallurgique et mécanique de pièces industrielles en titane Ti-6Al-4V destinées à être fabriquées par deux procédés de fabrication additive : la projection de poudre (Direct Metal Deposition ou DMD) et la fusion laser sélective (Selective Laser Melting ou SLM)
Additive manufacturing processes allow to build finished industrial parts with very complex geometry, while reducing development time and costs compared to conventional manufacturing processes. The main principle of all these processes is to build components directly from a CAD file defining its geometry without requiring any mold nor specific tools.This study is part of the FALAFEL research project focused on additive manufacturing processes by laser and electron beams. It is composed of academic research laboratories and industrial partners from Aeronautics and Laser Processes industries. The main goal of this project is to implement, improve and validate additive manufacturing processes regarding the production of metallic components for Aeronautics. Studies are conducted under industrial conditions.The aim of our thesis is to provide a numerical model to obtain, within a reasonable time, information about the mechanical and metallurgical properties of industrial components made out of titanium Ti-6Al-4V. It is aimed at two additive manufacturing processes: the Direct Metal Deposition (DMD) and the Selective laser melting (SLM)

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Chniouel, Aziz. "Etude de l’élaboration de l’acier inoxydable 316L par fusion laser sélective sur lit de poudre : influence des paramètres du procédé, des caractéristiques de la poudre, et des traitements thermiques sur la microstructure et les propriétés mécaniques." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS379/document.

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Dans le domaine de la métallurgie, la fabrication additive (FA) est un procédé de mise en forme des matériaux en pleine expansion dans plusieurs secteurs industriels tels que l’aéronautique, le spatial et l’automobile. L’exploitation des procédés de FA pour des applications dans l’industrie nucléaire est actuellement en cours d’étude dans différents pays. La FA permet d’élaborer des pièces optimisées avec des géométries complexes impossibles à réaliser avec les procédés conventionnels. Dans ce cadre, les travaux réalisés au cours de cette thèse visent à déterminer l’apport potentiel des procédés de FA pour la réalisation de composants métalliques pour diverses applications nucléaires dont les futurs réacteurs de Génération IV. Cette thèse présente les propriétés microstructurales et mécaniques de pièces en acier inoxydable 316L réalisées par procédé de fusion laser sélective sur lit de poudre (SLM, Selective Laser Melting). Trois thématiques ont été abordées dans cette étude : les paramètres du procédé SLM, les caractéristiques de la poudre et deux post-traitements thermiques (700°C-1h et compression isostatique à chaud : 1100°C-3h sous 1800 Bar). Leurs effets sur la microstructure et les propriétés mécaniques ont été analysés. Les propriétés en traction sur des éprouvettes en acier 316L ont été mesurées et comparées à celles d’un acier 316L forgé décrit par la norme RCC-MRX utilisée dans le domaine du nucléaire. Les résultats obtenus sont supérieurs à ceux de la norme et comparables à ceux d’un acier forgé. Cette thèse a permis de mieux cerner les interactions entre les paramètres liés au procédé, la microstructure et les propriétés mécaniques
Additive Manufacturing (AM) recently became an attractive manufacturing process in several industrial fields such as aeronautics, aerospace and automotive. The exploitation of AM processes for the nuclear industry is currently being studied in different countries. The AM enables the creation of optimized parts with complex geometries impossible to manufacture with conventional processes. This thesis aims to determine the potential contribution of AM processes for the production of metal components for various nuclear applications including future Generation IV reactors. First, the microstructural and mechanical properties of 316L stainless steel parts built by Selective Laser Melting (SLM) process are presented. Three thematics were assessed in this study: the SLM process parameters, the powder characteristics and two post heat treatments (700 ° C-1h and hot isostatic pressing: 1100 ° C-3h under 1800 Bar). Their effects on microstructure and mechanical properties were analyzed. Tensile properties of 316L steel specimens were measured and compared to those of forged 316L steel described in the nuclear field by RCC-MRX standards. The results obtained are superior to those of the standard and comparable to those of a forged steel. This thesis contributes to a better understanding of interactions between the process parameters, the microstructure and the mechanical properties

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Korycki, Adrian. "Study of the selective laser sintering process : materials properties and effect of process parameters." Thesis, Toulouse, INPT, 2020. https://oatao.univ-toulouse.fr/27651/1/Korycki_Adrian.pdf.

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Abstract:

La fabrication additive permet de répondre aux exigences de réactivité et de rapidité de création d’un produit industriel en réduisant les phases de développement et d’industrialisation. Parmi les technologies prometteuses pour les pièces en thermoplastiques, le procédé de fusion sur lit de poudre (SLS: Selective Laser Sintering) se distingue en raison de sa capacité de réalisation des géométries à faibles tolérances dimensionnelles. Ce procédé est basé sur le déplacement d’un faisceau laser qui interagit avec le lit de poudre. L’attractivité de la fabrication additive contrebalance cependant avec le choix des matériaux actuellement utilisables: ce sont principalement les polyamides. Les polyaryléthercétones (PAEK) adaptés au procédé SLS sont encore rares sur le marché et couteux. Dans ces travaux, différentes poudres ont été caractérisées pour mieux comprendre les propriétés nécessaires à leur utilisation en SLS et définir leur fenêtre de température de processabilité. L'absence de poudre de PEEK adaptée nous a conduit à élaborer un nouveau matériau en mélangeant le PEEK à un thermoplastique amorphe, le polyethersulfone (PESU). Les mélanges initialement immiscibles ont été compatibilisés dans l’objectif d’améliorer leurs propriétés mécaniques et pour retarder leur cristallisation au refroidissement. Pendant la fabrication, de nombreux paramètres du procédé contrôlent la fusion de la poudre, et ainsi les propriétés des pièces et leur précision dimensionnelle. Ainsi, l'analyse statistique de la réponse de l'ensemble des paramètres a fait l’objet d’un plan d’expériences pour en extraire les paramètres les plus influant. L’étude paramétrique, conduite avec la poudre polyamide, a été réalisée en faisant varier cinq paramètres et en regardant leur influence sur cinq groupes de réponses relatives aux propriétés physico-chimiques, physiques, mécaniques et thermiques ainsi qu’aux durées d’impression des pièces. Le plan d’expériences a permis d’établir les modèles mathématiques des surfaces de réponses liant les réponses aux facteurs et à leurs interactions. Ces modèles statistiques ont été utilisés pour définir un jeu de paramètres optimal. Enfin, une approche combinant expérimental et simulation numérique a été menée pour estimer l’influence de chaque passage du laser sur le taux de cristallinité et les propriétés mécaniques de chaque couche. Les résultats montrent que l’échauffement dû aux passages successifs du laser couvre une épaisseur équivalente à 14 couches déposées. Cependant, seules les 4 couches supérieures sont affectées thermiquement de manière significative par le lasage d’une couche de poudre et montrent ainsi une évolution de leur taux de cristallinité
Additive manufacturing is attractive because it allows to reduce significantly the development and industrialization phases of part design. Among the promising technologies for thermoplastic parts, the SLS (Selective Laser Sintering) process stands out because of its ability to produce geometries with low dimensional tolerances. This process is based on the displacement of a laser beam that interacts with the powder bed. The attractiveness of additive manufacturing counterbalances, however, with the choice of currently available materials: these are mainly polyamides. Polyaryletherketones (PAEK) suitable to SLS process are still rare on the market and expensive. In this work, various powders have been characterized to deeper understand the properties necessary for their use in SLS and to define their processability temperature window. The absence of suitable PEEK powder led us to develop a new material by blending PEEK with an amorphous thermoplastic, polyethersulfone (PESU). The initially immiscible blends have been compatibilized in order to improve their mechanical properties and to delay their crystallization on cooling. During manufacturing, many process parameters control the melting of the powder, and thus the properties of the parts and their dimensional accuracy. Thus, a statistical analysis of the response of the parameters was led by a design of experiments to extract the most influential parameters. The parametric study, done with the polyamide powder, was carried out by varying five parameters and by looking at their influence on five groups of responses relating to the physical, mechanical and thermal properties as well as to the printing duration of the parts. The design of experiments made it possible to establish the mathematical models of the response surfaces linking the responses to factors and their interactions. These statistical models were used to define an optimal set of parameters. Finally, a combined experimental and numerical simulation approach was conducted to estimate the influence of each laser pass on the degree of crystallinity and the mechanical properties of each layer. The results show that the heating due to the successive laser passes cover a thickness equivalent to 14 deposited layers. However, only the 4 upper layers are significantly thermally affected by the laser pass on a powder layer and thus show an evolution of their degree of crystallinity

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Schneider-Maunoury, Catherine. "Application de l’injection différentielle au procédé de fabrication additive DED-CLAD® pour la réalisation d’alliages de titane à gradients de compositions chimiques." Thesis, Université de Lorraine, 2018. http://www.theses.fr/2018LORR0260/document.

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Abstract:

Depuis 1984, les matériaux à gradients de fonction (FGM) permettent de former une barrière thermique et réduire les fortes discontinuités des propriétés entre deux matériaux de nature différente. Ces multi-matériaux, qui consistent en une variation intentionnelle de la composition chimique entrainant par conséquent une modification des propriétés microstructurales, chimiques, mécaniques et thermiques, permettent de lisser la distribution des contraintes thermiques. L’élaboration in situ de ces alliages sur mesure est rendu possible grâce à l’utilisation de procédés de fabrication additive tel que le procédé par dépôt de poudres DED-CLAD®. Ces procédés connaissent un essor considérable depuis les années 1980 et sont idéaux dans la fabrication de FGM. Dans le cadre de cette thèse CIFRE, des développements techniques ont été effectués pour adapter le procédé DED-CLAD® et permettre la réalisation de FGM. Grâce à plusieurs collaborations industrielles, une étude complète a été réalisée sur les alliages titane-molybdène et titane-niobium. Ces alliages permettent dans le premier cas de réaliser des pièces résistantes à de fortes sollicitations thermiques (secteur spatial), et dans le second cas d’associer les propriétés mécaniques et la biocompatibilité (secteur biomédical). L’originalité de cette thèse repose sur l’étude d’un gradient complet, c’est-à-dire que l’ajout en élément d’alliage varie de 0% à 100%. En effet, les études reportées dans la littérature ne font pas mentions des alliages titane-matériaux réfractaire pour des taux élevés en élément réfractaire. Les analyses microstructurale (DRX, structure cristallographique par EBSD, microstructure), chimique (EDS) et mécanique (microdureté, tests de traction et essais d’indentation instrumentée) ont mis en évidence une évolution des propriétés le long du gradients de composition. La caractérisation mécanique des échantillons par indentation instrumentée s’est par ailleurs révélée particulièrement pertinente dans les cas de ces multi-matériaux
Since 1984, the Functionally Graded Material (FGM) allow to create a thermal barrier and to reduce the strong discontinuities of properties between two materials of different composition. These multimaterials,whose consist of an intentional variation in the chemical composition and, consequently, modify the microstructural, chemical, mechanical and thermal properties, lead to a smooth distribution of the thermal stress. The in-situ development of these custom-made alloys is made possible by the use of additive manufacturing processes such as the DED-CLAD® powder deposition process. These processes have grown substantially since the 1980s and are optimal for the manufacture of FGM. During this industrial thesis, technical developments have been carried out to adapt the DED-CLAD® process and to allow the manufacturing of FGM. Thanks to two industrial collaborations, a full study was carried out on titanium-molybdenum and titanium-niobium alloys. These alloys make it possible, in the first case, to produce parts resistant to strong thermal stress (space sector), and in the second case to combine mechanical properties and biocompatibility (biomedical sector). The originality of this thesis rests on the study of a complete gradient, that is the addition in alloy element varied from 0% to 100%. In fact, studies reported in the literature do not mention titanium-refractory material for high levels of refractory element. Microstructural (XRD, crystallographic analysis by EBSD technique), chemical (EDS) and mechanical (microhardness, tensile test and instrumented indentation) analyses revealed an evolution of the properties along the chemical gradient. The mechanical characterization of the sample by instrumented indentation has also proved particularly relevant in the case of these multi-materials

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Piniard, Matthieu. "Contrôle en ligne du procédé Laser Beam Melting : apports de l'holographie numérique à deux longueurs d'onde." Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2021. https://accesdistant.sorbonne-universite.fr/login?url=https://theses-intra.sorbonne-universite.fr/2021SORUS571.pdf.

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Abstract:

Ce manuscrit décrit le développement d’un système pour mesurer la forme 3D du bain de fusion du procédé Laser Beam Melting (LBM). Après avoir constaté l’absence de moyens adaptés au contrôle plein-champ, temps-réel, in situ de la topographie du bain de fusion et de la zone adjacente, il est montré qu’un système basé sur l’holographie numérique à deux longueurs d’ondes présente tous les atouts pour atteindre cet objectif. Un banc basé sur le principe du multiplexage spatio-chromatique d’hologrammes numériques hors-axes à deux longueurs d’ondes a alors été conçu. Une étude photométrique a permis de chiffrer les contributions des différents rayonnements en jeu et d’évaluer le niveau des sources de bruit. En particulier, un modèle analytique décrivant la contribution du bruit de phase induit par la décorrélation de speckle dûe à la topographie de la surface inspectée a été développé. Une simulation réaliste des conditions expérimentales a permis de valider le modèle. Les études numériques et expérimentales ont notamment permis de choisir le couple de longueurs d’ondes adéquates pour réaliser la mesure. Enfin, le système holographique a été implanté sur un banc simplifié LBM et la pertinence de notre concept est démontrée. Pour traiter les hologrammes une méthode de compensation des fréquences spatiales des ondes porteuses a été proposée et validée. Les premiers résultats expérimentaux ont été obtenus avec la mesure de cordons statiques, en translation et de bains de fusion en condition in situ. Ces résultats ouvrent des perspectives à l’amélioration du banc et à des études quantitatives du bain de fusion
This manuscript describes the development of a system to measure the 3D shapeLaser Beam Melting (LBM) process melt pool. Noting the lack of means adapted to the fullfield,real-time, in situ topography monitoring of the melt pool and the adjacent zone, it is shown that a system based on digital holography at two wave lengths presents all the assets to achieve this objective. A bench based on the principle of space-chromatic multiplexing of off-axis digital holograms at two wavelengths was then designed. A photometric study allowed to quantify the contributions of the various radiations involved and to evaluate the level of the noise sources. In particular, an analytical model describing the contribution of the phase noise induced by the decorrelation of speckle due to the topography of the inspected surface was developed. A realistic simulation of the experimental conditions allowed to validate the model. Numerical and experimental studies allowed to choose the adequate pair of wavelengths to realize the measurement. Finally, the holographic system has been implemented on a simplified LBM bench and the relevance of our concept is demonstrated. To process the holograms, a method of compensation of the spatial frequencies of the carrier waves has been proposed and validated. The first experimental results have been obtained with the measurement of static track, in translation and melt pool in the in situ condition. These results open perspectives for the improvement of the bench and for quantitative studies of the melt

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Grange, David. "Fusion laser sélective de pièces en Inconel 738 et René 77 : vers une maîtrise de la fissuration au cours du procédé pour les superalliages à haute fraction de précipités γ'." Thesis, Université Paris sciences et lettres, 2020. http://www.theses.fr/2020UPSLM029.

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Abstract:

La fusion laser sélective sur lit de poudres (LBM) ouvre de nouvelles opportunités pour la fabrication d’équipements aéronautiques. Elle accroît la liberté de conception et permet des itérations plus rapides, du prototype jusqu’à la pièce finale. L’Inconel 738 et le René 77 sont des superalliages base nickel à durcissement structural : les précipités γ′ – dont la fraction atteint 45 vol % – confèrent aux matériaux une tenue au fluage élevée au-dessus de 900◦ C, mais rend leur mise en forme par LBM plus complexe. Soumis à des gradients thermiques importants lors du passage du faisceau laser, les pièces en Inconel 738 peuvent se fissurer pendant la fabrication. À l’instar de l’Inconel 738, certains superalliages difficilement soudables ne sont aujourd’hui pas éligibles à une mise en forme par LBM. Notre travail cherche à mieux comprendre les mécanismes de fissuration et à proposer une méthode de fabrication adaptée à ces matériaux. Nous confirmons l’apparition de fissures microscopiques lors de la solidification, juste après la fusion laser. Une fissuration minimale du matériau est obtenue avec des bains de fusion de petite taille et un fort recouvrement entre deux bains adjacents. Ce résultat est interprété grâce à la théorie de la solidification. Nous révélons ensuite une fissuration macroscopique lors du traitement thermique postérieur à la fusion laser, au cours de la première rampe de chauffage, à partir de 700◦ C. Les macrofissures résultent de contraintes résiduelles élevées et d’une précipitation γ′ hyperfine à basse température. L’Inconel 738 est plus sensible que le René 77 aux deux types de fissures, en raison d’une composition différente de la phase γ′ et de la teneur en éléments traces. Enfin, un second laser de chauffage est utilisé pour contrôler le gradient thermique et la vitesse de refroidissement à proximité du bain de fusion. Nous démontrons l’intérêt d’un tel système pour la mise en forme de matériaux réfractaires
Laser Beam Melting (LBM) opens up new opportunities for the manufacturing of aerospace equipment. This process increases design freedom and enables faster iterations from prototype to final part. Inconel 738 and René 77 are nickel-based superalloys with a precipitation hardening: the γ′ precipitates - whose fraction reaches 45 vol % - provide a high resistance to creep over 900◦ C, but make their shaping by LBM more complex. During the scanning of the laser beam, the materials are subjected to a high thermal gradient. Parts in Inconel 738 can therefore crack during the fabrication. Like Inconel 738, some non-weldable nickel-based superalloys are currently ineligible for a manufacturing by LBM. Our work seeks to make it possible to form such materials by LBM. We confirm the occurrence of microscopic cracks during solidification, just after laser fusion. Minimal cracking of the material is achieved with small melt pools and a high overlap between two adjacent pools. This result is discussed in the light of solidification theory. We then find evidence of macroscopic cracking during the heat treatment after the fabrication by LBM, more precisely during the first heating ramp oft he solution heat treatment, starting from 700◦ C. The cracking is the result of high residual stresses and of a hyperfine γ′ precipitation at low temperature. Inconel 738 is more susceptible than René 77 to both types of cracking due to a different composition of the γ′ phase and trace elements content. Finally, a second heating laser is used to control the thermal gradient and the cooling rate near the molten bath. We demonstrate the value of such a system for the shaping of refractory materials

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Josse, François. "Apport à la compréhension et à la simulation numérique du procédé Laser Metal Deposition – poudre." Thesis, Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2022. http://www.theses.fr/2022ECDL0025.

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Abstract:

La fabrication additive offre des libertés de conception et d’utilisation accrues grâce à l’obtention de pièces couche par couche à partir d’un modèle CAO. La réparation de pièces, le prototypage et l’ajout de fonctionnalités sont à l’heure actuelle les principales applications des procédés additifs. Dans ce contexte de nombreux challenges restent à résoudre pour atteindre la maitrise de ces procédés. L’un des principaux verrous à l’utilisation de la fabrication additive métallique reste la dimension des pièces pouvant être obtenues. La catégorie de technologie Direct Energy Deposition (DED), en particulier le dépôt de poudres par fusion laser, offre une solution à ce verrou en construisant la matière sans limites de dimension ni de forme. Afin d’augmenter la compréhension de ce procédé des travaux à la fois expérimentaux et numérique ont été conduit. Ces travaux s’attachent à la maitrise d’aciers à très hautes performances pour la production de planchers blindés ainsi qu’à la prédiction de la géométrie de cordon par la simulation numérique dans des temps de calcul très court.L’obtention de trois aciers inoxydable martensitique présentant de très hautes performances mécaniques (Re> 1000MPa, Rm> 1200 MPa et A%>12%) a été réalisée grâce à la maitrise des conditions thermiques au cours de la fabrication. Une attention particulière est portée sur la stabilité de la microstructure lors de la construction d’un volume par Laser Metal Deposition – poudre. L’évolution de comportement mécanique de ces matériaux en fonction de traitements thermiques et de la direction de sollicitation est également discuté.Une nouvelle stratégie numérique permettant l’obtention de la forme de la surface libre du bain fondu au moment de la solidification a été développée. Cette stratégie numérique permet de modéliser la géométrie des cordons à partir des paramètres procédés sans réaliser de calcul thermo-fluide. Le modèle numérique est également capable de reproduire l’affaissement de l’épaisseur de couche au cours de la construction d’un mur dans des temps de calcul très courts
Additive manufacturing allows a greater freedom of geometry thanks to the layer-by-layer construction of the parts from a CAD model. Reparation, prototyping and functionalisation are the main applications of the additive processes. Therefore, many challenges are still to overcome in order to master those processes. One of the main challenges is the dimensions of the parts built by metallic additive manufacturing.The Direct Energy Deposition technologies, specifically powder fed Laser Metal Deposition, are a solution to build parts without neither dimension nor geometric limitations. Experimental and numerical work has been conducted in the objective of improving the understanding of this process. This work focus on mastering high mechanical performances as well as predict bead geometry thanks to the numerical simulation.Three martensitic stainless steel showing high mechanical performances (YS> 1000MPa, UTS> 1200 MPa et E%>12%) are obtained. A specific attention has been paid to the microstructure and its stability during the build-up the volumes. The effect of the heat treatments on the mechanical properties was investigated to improve the performances.A new numerical strategy simulating the freeform of the melt pool surface has been developped. The strategy allow the modelisation of the bead’s geometry from process parameters without any thermo-fluid calculation. The model is able to reproduce the bead’s thickness evolution during a wall build-up in short computation time

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Massard, Quentin. "Compréhension et maîtrise de la mise en oeuvre en fabrication additive d’aciers à haute teneur en carbone tel que le 100Cr6 par fusion sélective par laser sur lit de poudre." Electronic Thesis or Diss., Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2022. http://www.theses.fr/2022ECDL0024.

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Abstract:

De nos jours, la production de pièces en acier par fabrication additive (FA) est un sujet central dans le monde de l’industrie, y compris l’automobile. En effet, les possibilités qu’offrent la fabrication additive sont diverses et nombreuses (allègement, formes complexes, …). Le 100Cr6 est un acier à hautes performances mécaniques, principalement utilisé pour la production de roulements à billes, en raison de son importante dureté et résistance à la fatigue. Une étude de processabilité de l’acier 100Cr6 par fusion selective par laser sur lit de poudre a tout d’abord été réalisée. Après avoir caractérisé les propriétés physiques et chimiques du matériau, des échantillons denses et non fissurés ont pu être produits au travers d’une optimisation paramétrique. Un cycle de post-traitement a pu être défini et des essais de traction plane et de fatigue par flexion rotative ont pu être réalisés.Afin de comprendre et maîtriser le phénomène de fissuration du 100Cr6 lors de son emploi par L-PBF une étude métallurgique approfondie (microdureté, imagerie optique, MEB, DRX, EBSD) a pu être menée. L’influence de l’emploi du plateau chauffant quant à la formation de Bainite et de Martensite et leur impacte sur la fissuration a pu être mis en évidence.Enfin, une étude de recyclabilité de la poudre de 100Cr6 oxydée a pu être réalisée à travers l’utilisation d’une machine de sphéroïdisation par plasma radiofréquence. Un débit d’alimentation de poudre dans le plasma permettant de régénérer les propriétés physiques et rhéologiques de la poudre a pu être défini. Une méthode de nettoyage permettant d’améliorer les propriétés chimiques de la poudre a également été proposé
Nowadays, the production of steel parts by additive manufacturing (AM) is a central topic in the world of industry, including automotive. Indeed, the possibilities offered by additive manufacturing are diverse and numerous (weight reduction, complex shapes, ...). 100Cr6 is a high mechanical performance steel, mainly used for the production of ball bearings, due to its high hardness and fatigue resistance. A processability study of 100Cr6 steel produced by selective laser melting on powder bed was first performed. After having characterized the physical and chemical properties of the material, dense and non-cracked samples were produced through a parametric optimization. A post-treatment cycle was defined and plane tensile tests and rotary bending fatigue tests were performed.In order to understand and control the cracking phenomenon of 100Cr6 when used in L-PBF, a thorough metallurgical study (microhardness, optical imaging, SEM, XRD, EBSD) was conducted. The influence of the use of the heating plate on the formation of Bainite and Martensite and their impact on cracking was highlighted.Finally, a recyclability study of the oxidized 100Cr6 powder was carried out through the use of a radiofrequency plasma spheroidization machine. A powder feed rate in the plasma allowing to regenerate the physical and rheological properties of the powder was defined. A cleaning method to improve the chemical properties of the powder was also proposed

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Jain, Akshay Ashok. "Design and LENS® Fabrication of Bi-metallic Cu-H13 Tooling for Die Casting." The Ohio State University, 2013. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1385987045.

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Nain, Vaibhav. "Efficient thermomechanical modeling of large parts fabricated by Directed Energy Deposition Additive Manufacturing processes." Thesis, Lorient, 2022. http://www.theses.fr/2022LORIS630.

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Abstract:

Les procédés de fabrication additive laser par dépôt de poudre offrent une opportunité unique pour la fabrication de grandes pièces à géométrie complexe. Cependant, les déformations mécaniques induites par ces procédés entrainent des défauts pouvant conduire à des pièces rebutées. Au cours de cette thèse, différents modèles ont donc été développés pour mieux comprendre l’apparition de ces déformations en fonction des paramètres opératoires. Un premier modèle thermomécanique prédit le comportement élastoplastique lors de la construction d’un mur en acier inoxydable 316L. L’apport de chaleur est modélisé par une source double ellipsoïdale mobile et la construction des couches se fait à l’aide d’une méthode hybride « Quiet/Active élément ». Un écrouissage isotrope non linéaire est considéré, avec prise en compte de la restauration d’écrouissage à hautes températures. Afin de réduire drastiquement les temps de calcul, une nouvelle source de chaleur est proposée utilisant une source ellipsoïdale allongée qui moyenne l’énergie sur un intervalle d’espace et de temps. Cependant, un intervalle d’espace trop grand diminue la précision du modèle. De nouveaux paramètres sont alors introduits afin d’identifier le meilleur compromis entre temps de calcul et précision. L’ensemble des modèles proposés est confronté avec succès avec des données expérimentales en termes de température et déplacement et ce pour différents paramètres opératoires. Enfin, des modèles multi-échelles basés l’activation par couche ou les méthodes de déformations inhérentes sont étudiés en vue de réduire les temps de calcul
Directed Energy Deposition (DED) Additive Manufacturing technology offers a unique possibility of fabricating large-scale complex-shape parts. However, process-induced deformation in the fabricated part is still a big obstacle in successfully fabricating large-scale parts. Therefore, multiple numerical models have been developed to understand the accumulation of induced deformation in the fabricated part. The first model predicts the thermo-elastoplastic behaviour that captures the laser movement. The laser-material interaction and metal deposition are modeled by employing a double ellipsoid heat source and the Quiet/Active material activation method respectively. The model considers isotropic non-linear material hardening to represent actual metal behaviour. It also employs an instantaneous stress relaxation model to simulate the effects of physical phenomena like annealing, solid-state phase transformation, and melting. Using this model as a reference case, an efficient model is developed with an objective to reduce the computation time and make it feasible to simulate large-part. The model employs an Elongated Ellipsoid heat source that averages the heat source over the laser path which reduces the computational burden drastically. However, averaging over large laser path results in inaccurate results. Therefore, new parameters are developed that identify the best compromise between computation time reduction and accuracy. Both models are validated with experimental data obtained from several experiments with different process parameters. Finally, other Multi- scale methods such as the Layer-by-layer method and Inherent Strain-based methods are implemented and explored

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Papy, Kévin. "Compréhension et maîtrise de la mise en oeuvre des cermets par procédé de fusion laser sur lit de poudre pour la réalisation de pièces anti-usure." Electronic Thesis or Diss., Ecully, Ecole centrale de Lyon, 2023. http://www.theses.fr/2023ECDL0025.

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Abstract:

Technogenia® est une entreprise française, créée en 1979 et est spécialisée dans les revêtements soudés anti-usure en carbure de tungstène (WC). Dans le cadre de la thèse, Technogenia® souhaite évaluer la pertinence de réaliser des pièces anti-usure à base de carbure de tungstène par technologie de fabrication additive. L’objectif premier de l’entreprise est d’utiliser la technologie de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), afin de produire des pièces à base de carbure de tungstène se rapprochant des caractéristiques mécaniques des pièces en WC monobloc qui sont réalisées par procédé conventionnel. Cette thèse a pour objectif d’étudier la faisabilité de réalisation des pièces à base de carbure de tungstène et de caractériser les microstructures et les propriétés mécaniques et d’usure des pièces réalisées par fabrication additive. Les propriétés des matériaux obtenus par procédé L-PBF seront comparées aux propriétés connues de pièces conçues par procédé conventionnel. Dans un premier temps, deux poudres à base de carbure de tungstène avec des liants métalliques (carbures cémentés) sont sélectionnées afin de réaliser une optimisation paramétrique pour le procédé L-PBF. Cette étape est réalisée en analysant l’influence des principaux paramètres du procédé (puissance laser, vitesse de balayage, stratégie de balayage, écart vecteur, épaisseur de couche, …) sur les matériaux. Un plan d’expérience est défini en plusieurs étapes, comme la réalisation de cordons, de surfaces et de cubes dans le but de déterminer les principaux paramètres. Deux types de post-traitement thermique sont réalisés afin d’étudier l’influence sur les matériaux et d’éliminer certains défauts structurels. Les différences microstructurales entre les deux liants sont analysées et étudiées. De nombreux phénomènes dû au procédé laser sont observés et commentés lors de l’analyse des échantillons. Dans un deuxième temps, une étape de caractérisation mécanique et tribologique est réalisée sur les échantillons fabriqués avec succès. Différents tests mécaniques (dureté, ténacité, résilience) sont réalisés en vue de caractériser et de comparer les matériaux obtenus par L-PBF avec un matériau de référence réalisé par procédé conventionnel. Pour terminer, la résistance à l’usure des matériaux obtenus est étudiée et comparée lors de deux différents tests tribologiques
Technogenia® is a French company, founded in 1979, specialized in hardfacing solutions based on tungsten carbide welding overlays. As part of the thesis, Technogenia® wishes to assess the suitability of using Additive Manufacturing technology to produce wear-resistant parts based on tungsten carbide. The company's primary objective is to use laser-powder bed fusion (L-PBF) technology to produce tungsten carbide-based parts that approach the mechanical characteristics of tungsten carbide-based parts made by conventional processes. The aim of this thesis is to study the feasibility of producing tungsten carbide-based parts, and to characterize the microstructures and mechanical and wear properties of parts produced by Additive Manufacturing. The properties of materials obtained using the L-PBF process will be compared with the known properties of parts produced by conventional processes. Firstly, two tungsten carbide-based powders with metal binders (cemented carbides) are selected for parametric optimization in the L-PBF process. This step is carried out by analyzing the influence of the main process parameters (laser power, scanning speed, scanning strategy, vector deviation, layer thickness, etc.) on the materials. An experimental design is defined in several steps, such as the production of beads, surfaces and cubes, in order to determine the main parameters. Two types of thermal post-treatment are carried out to study the influence on the materials and to eliminate certain structural defects. Microstructural differences between the two binders are analyzed and studied. Numerous phenomena due to the laser process are observed and commented on during sample analysis. Secondly, the samples successfully manufactured are subjected to mechanical and tribological characterization. Various mechanical tests (hardness, toughness, impact strength) are carried out to characterize and compare L-PBF materials with a reference material produced by conventional methods

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Marcos, Daniel. "Développement de MOULes INNOVants à haute conductivité thermique pour l’injection de matières plastiques fabriquées par Selective Laser Melting (SLM/LBM)." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018PSLEM080.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif de proposer des matériaux adaptés aux attentes d’une empreinte de moule pour l’injection plastique, fabriquée couche par couche par fusion sélective par laser ou « Selective Laser Melting » (SLM). La réalisation d’outillages à haute productivité demande de concevoir des moules à multi-empreintes, à forte dissipation thermique et tenue à l’usure de façon à résister à l’injection de polymères agressifs à haute transition vitreuse et renforcés de fibres de verre. Ces empreintes de moule doivent être à même de supporter de fortes cadences et des cycles thermiques contraignants. La solution proposée dans cette thèse est de travailler sur la mise en forme par SLM de matériaux à haute conductivité thermique et haute dureté. Un premier matériau du commerce répondant partiellement à la demande industrielle a été proposé. Il s’agit d’un acier faiblement allié (42CrMo4). Une caractérisation de la poudre issue d’une atomisation au gaz a été entreprise et ses caractéristiques de mise en couche ont été évaluées. Sa mise en forme par fusion laser a permis d’identifier un ensemble de jeux de paramètres viables, permettant la construction d’inserts à qualité métallurgique satisfaisante. La mise au point d’un traitement thermique approprié vient parfaire l’étude de cet acier. La dernière partie de cette thèse s’attache à proposer le meilleur « design » de poudre pour la mise en forme par SLM de cermets à base WC répondant complétement au cahier des charges industriels. Cette étude reste toutefois exploratoire et se focalise sur l’identification de mécanismes métallurgiques (réactions, changements d’état solide/liquide et liquide/vapeur,…), de phénomènes thermocapillaires et de transports de matière par convection gazeuse
The aim of this thesis is to propose materials adapted to the needs of a mold cavity for plastic injection, manufactured layer by layer by "Selective Laser Melting" (SLM). The production of high productivity tools requires the design of multi-cavity molds, with high heat dissipation and wear resistance to resist the injection of aggressive polymers with highglass transition and glass fiber reinforced. These molds must be able to with stand high rates and binding thermal cycles. The solution exposed in this thesis is to work on the fabrication by SLM of materials with high thermal conductivity and high hardness. At first, a commercial material partially meeting industrial demand has been proposed. It is a low alloy steel (42CrMo4). A characterization of the powder from a gas atomization was undertaken and its layering characteristics were evaluated. The experiences, of melting it with a laser, have identified a set of viable parameters, allowing the construction of parts with satisfactory metallurgical quality. The development of a suitable heat treatment completes the studyof this steel. The last part of this thesis consist in a proposition of a "design" of powder for the fabrication by SLM of MetalMatrix Composites, with WC base, fulfilling the industrial specifications. However, this study remains exploratory and focused on the identification of metallurgical mechanisms (reactions, changes in solid / liquid and liquid/ vapor states, etc.), thermo-capillarity phenomena and matter transport by gas convection

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Liang, Xiaoyu. "Comportement en fatigue à grand nombre de cycle d’un acier inoxydable 316L obtenu par fabrication additive : effets de la microstructure, de la rugosité et des défauts." Thesis, Paris, HESAM, 2020. http://www.theses.fr/2020HESAE017.

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Abstract:

Cette étude vise à étudier l'influence de la microstructure, de la rugosité et des défauts de surface sur le comportement en fatigue à grand nombre de cycles (FGNC) d'un acier inoxydable 316L obtenu par fabrication additive (FA). Composée d’un volet expérimental et d’un volet numérique, elle est motivée par le fait que les matériaux issus du procédé de FA présentent souvent un état de surface et une microstructure très distincts des couples procédés de fabrication / matériaux conventionnels. Afin de clairement identifier le rôle joué par chacun des facteurs influents sur la réponse en fatigue, différentes techniques de caractérisation (Profilométrie, EBSD, Tomographie RX, dureté …) sont employées et permettent de mettre en évidence un niveau de rugosité important après fabrication ainsi que des textures morphologiques et cristallographiques marquées. Pour ce qui est du comportement sous chargement mécanique, des essais cycliques à déformation totale imposée mettent en évidence un écrouissage cyclique avec durcissement puis adoucissement. Une importante campagne d’essais en fatigue est conduite sous différents modes de chargement (traction, flexion, torsion) et pour différentes configurations d’état de surface (brut de fabrication, poli). L’analyse des faciès de rupture fait apparaître le rôle prépondérant joué par les défauts de type « lack of fusion » sur les mécanismes d’amorçage en surface des fissures de fatigue. Un diagramme de type Kitagawa-Takahashi est construit à partir de l’observation de la taille des défauts à l’amorçage et le rôle des amas de défaut est clairement démontré. L’étude numérique comporte deux parties distinctes avec, d’abord, un travail préliminaire relatif à la construction d’une méthode non locale adaptée à la prise en compte des effets de microstructure en fatigue dans le cas d’un acier 316L corroyé. A partir des données collectées lors de la campagne expérimentale portant sur l’acier SLM 316L, un modèle d'éléments finis tenant compte de la rugosité, des défauts et de la microstructure est construit. Les calculs sont conduits en utilisant un comportement de type élasticité cubique associé ou pas à de la plasticité cristalline. À l'aide d’une approche faisant appel à la statistique des extrêmes, les résultats des simulations EF sont analysés de manière à quantifier les effets respectifs de la rugosité de surface, de la taille et morphologie des grains, de la texture cristallographique et des défauts
This study aims to investigate the influence of both the microstructure and surface defects on the high cycle fatigue (HCF) behavior of a 316L stainless steel obtained by additive manufacturing (AM). Surface defects and microstructure are dominant factors of fatigue behavior, while the AM materials often exhibit distinguished surface state and microstructure compared to conventional materials. The current study begins with an investigation of the material properties that are related to fatigue behavior. Microstructure observations of the powder and fabricated specimens are undertaken. Profilometry and tomography analyses make the inherent defects visible. The hardness, elastic behavior and elastic-plastic behavior are studied via mechanical tests. Then, load-controlled fatigue tests concerning different surface-treated specimens under different loading types are conducted. To reveal the mechanism of fatigue failure in the studied specimens, a comprehensive fractography analysis is carried out. Experimental research reveals the weakening of fatigue strength due to lack-of-fusion defects. Yet, the effect of the microstructural attributes is difficult to evaluate without numerical tools. A preliminary numerical study about the application of the non-local method in an explicit microstructure sensitive model is undertaken to complement the microstructure-sensitive modeling framework. Based on the data collected in the experimental campaign, a finite element model that can take into consideration of the defects and the microstructure of the SLM SS 316L is built up. Finite element analyses are performed with both cubic elasticity and polycrystal plasticity constitutive laws. With the help of the statistical method, the results from the FE model are used to quantitatively assess the influence of surface roughness and microstructural attributes on the fatigue performance of SLM SS 316L

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Dissertations / Theses on the topic 'Fabrication additive laser'

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