Actuellement, le LNE est positionné dans le secteur de la fabrication additive métallique, comme un acteur orienté sur les contrôles et les mesures en particulier :

• Des matières premières (poudres)
• Des pièces finies :
  • Caractérisation physico-chimiques des matériaux
  • Détection de défauts internes (CND)
  • Contrôles dimensionnels classiques

Par ailleurs, le LNE est associé à plusieurs études R&D dans ce domaine en apportant son expertise liée à la mesure pour mieux comprendre les procédés afin de les améliorer ou encore pour détecter les défauts des pièces complexes réalisées en fabrication additive. Nombre de ces études sont réalisées dans le cadre de la plateforme AFH (Additive Factory Hub), dont le LNE est membre.

Plateforme Additive Factory Hub (AFH)

La plateforme Additive Factory Hub (AFH) intègre, développe et innove les technologies de Fabrication Additive (FA) en fédérant en un même lieu, compétences et moyens de pointe. Elle a pour missions la recherche, la diffusion et la formation au service des entreprises françaises partenaires et de l’écosystème.

Orientée sur les matériaux métalliques, l’AFH a pour but de lever les verrous technologiques, de promouvoir le savoir-faire français à l’international et de rendre visibles et accessibles les innovations. Sa roadmap cible 7 points clés :

• maîtrise du procédé ;
• compréhension et interaction source d’énergie-matière ;
• maîtrise de la métallurgie obtenue en fabrication additive ;
• contrôle et sanction (in et ex situ) ;
• optimisation et chainage numérique ;
• base de données et apprentissage statistique ;
• développement d’applications multimatériaux, matériaux magnétiques, implantation d’éléments.

AFH regroupe différents acteurs de la recherche académique, technologique et industrielle, des PME, des fournisseurs de technologie et des utilisateurs finaux. Cette plateforme ouverte mutualise ainsi expertises et moyens performants pour relever les défis de la fabrication additive. Démarrée en 2018, le LNE fait partie des membres fondateurs de la plateforme.

Dans le cadre des travaux de la plateforme, le LNE développe son programme de recherche selon les axes suivants :

• Développement de méthode de caractérisation des matériaux (poudre, fil...) utilisées en FA.
• Développement de la métrologie pour le contrôle en ligne, lors de la fabrication de pièces.
• Développement de méthode de contrôle adaptées aux pièces issue de la FA (méthode RUS, pycnométrie à gaz...).
• Estimation des incertitudes de mesures des méthodes de contrôle, notamment dans le cadre de la tomographie à rayon X.

PLATEFORME AFH

Etudes menées dans le cadre de la plateforme AFH

Thèse : « Etude métrologique de l’influence des paramètres procédé sur les propriétés géométriques et dimensionnelles des pièces fabriquées par fusion laser sur lit de poudre »

Réalisée au sein de la plateforme Additive Factory Hub (AFH), cette thèse est réalisée en collaboration avec le laboratoire Procédé et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM) de l’Ecole nationale supérieure d’Arts et Métiers de Paris (ENSAM). L’objectif de cette thèse est d’étudier métrologiquement les propriétés géométriques et dimensionnelles des pièces issues du procédé de fabrication par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF pour Laser Powder Bed Fusion en anglais). Pour cela, différents paramètres de fabrication tels que la vitesse de balayage du laser, la puissance optique, le pas entre deux chemin optique (hatching), la hauteur de couche et d’autres encore, sont mis en œuvre et comparés afin de déterminer les conséquences physiques sur les pièces générées.

Après avoir déterminer les couples de paramètres d’intérêts, ceux-ci ont été étudiés selon différents scénarios :

• En monocordon et multicordon pour déterminer les régimes de stabilités et d’instabilités (balling, humping)
• Réalisation de structures alvéolaire ou nid d’abeille afin de déterminer les propriétés dimensionnelles des branches.
• Mesures thermiques des pièces en cours de fabrication afin, notamment, d’évaluer les vitesses de refroidissement selon les paramétries.
• Caractérisation des contraintes résiduelles sur des peignes et mesures dimensionnelles des déformations de celle-ci après séparation du plateau de fabrication à l’aide de la machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) du LNE.

Débuté en octobre 2020, cette thèse s’est achevée en septembre 2023.

Etude de l'effet des caractéristiques de la poudre sur le microstructure et les caractéristiques des pièces produites

La Fabrication Additive (FA) demande aux fournisseurs de poudres d'avoir une réelle compréhension des propriétés des poudres métalliques, avec une traçabilité des matières premières et le respect des normes en termes de qualité, d'approvisionnement et de certification. La raison en est de garantir une fabrication de pièces sans défaut avec des propriétés optimisées, ce qui est un défi majeur à relever dans le secteur aérospatial. Cette problématique n'est pas si triviale, d'une part parce qu'il n'est pas toujours aisé de séparer les défauts de structure liés à la poudre initiale de ceux survenant au cours du procédé, et d'autre part du fait que certains défauts néfastes ne sont détectés que lors des essais de fatigue, ce qui nécessite une grande maîtrise de l'ensemble de la chaîne de valeur.

Dans ce but de développer des procédés robustes qui, à leur tour, peuvent assurer des propriétés reproductibles, on observe une demande croissante pour des caractéristiques de plus en plus précises concernant la poudre initiale. Un effort est actuellement accompli pour standardiser les spécifications des poudres en termes de taux de porosité, de contrôle de l'atmosphère protectrice, de poudre sphérique pour une bonne coulabilité et une bonne densité de tassement. En d'autres termes, on évalue des poudres de bonne qualité comme présentant une faible variabilité de leurs propriétés physiques, une composition chimique inchangée et une absence d'impuretés, une constance et une répétabilité dans le temps et enfin une faible dispersion des propriétés mécaniques.

Dans le cadre de la plateforme Additive Factory Hub, le LNE a étudié avec l’ensemble de ses partenaires, l’influence des caractéristiques des poudres sur les caractéristiques des pièces, notamment mécaniques et métallurgiques. Ainsi, plusieurs lots de poudre venant de fournisseurs différents ou ayant des caractéristiques granulométriques différentes ont été caractérisés puis ont servi à la réalisation d’éprouvettes afin de tester leurs comportements mécaniques ainsi qu’analyser leurs microstructures (taux de porosité, précipité colonnaire...).

Caractérisation métrologie des méthodes de détection de défauts

Par ailleurs, le LNE développe également des projets de R&D en propre notamment sur la caractérisation métrologique des méthodes de détection de défauts non destructives comme la méthode RUS (résonance ultra sonore) ou par mesure de la perte de pression.

Méthodes de spectroscopie par résonance ultrasonore (RUS)

L’investigation de méthodes de spectroscopie par résonnance ultrasonore linéaires (RUS pour « resonant ultrasound spectroscopy ») ou non-linéaires (NRUS pour « non-linear resonant ultrasound spectroscopy ») ont montré un fort potentiel et sont à ce jour les méthodes les plus prometteuses pour inspecter les pièces complexes réalisées en FA après la tomographie XCT.

Les méthodes RUS linéaires et NRUS non linéaires sont des méthodes volumiques globales consistant à exciter la pièce de façon mécanique et ensuite à analyser sa signature spectrale (fréquences de résonance des modes propres de vibration de la pièce) dans différents domaines de fréquences : acoustique (audible 20 Hz-20 kHz, détection aérienne), vibratoire (< 20 kHz, détection solidienne), ou ultrasonores (> 20 kHz, détection par contact ou sans contact).

Bien qu’il s’agisse de méthodes globales, contrairement aux XCT qui permettent la localisation des défauts, elles présentent l’avantage d’être applicables indépendamment de la géométrie et de l’état de surface de la pièce, de sa taille ou de sa densité. Par ailleurs, ce sont des méthodes simples à mettre en œuvre, beaucoup moins coûteuse que l’XCT et le contrôle des pièces est particulièrement rapide ce qui convient tout à fait à du contrôle de routine. Ces méthodes présentent également l’avantage de pouvoir déterminer les caractéristiques élastiques des matériaux (module d’Young E, module de cisaillement G et coefficient de Poisson n) à partir des barres, cylindres et disques.

Cependant, avant que ces méthodes ne soient acceptées dans l’industrie et par les organismes de certification, il est nécessaire au préalable de les caractériser d'un point de vue métrologique : évaluer les facteurs d’influence, définir et affiner le mesurande, évaluer la répétabilité, la reproductibilité ainsi que les incertitudes de mesure.

Mesures de défauts dans des canaux fabriques en FA par la méthode de pertes de pression

La fabrication additive (FA) métallique a commencé à éclipser les pratiques de fabrication traditionnelles dans sa capacité à produire des composants complexes, de hautes performances et adaptés aux applications. Pour les industriels, un grand intérêt de la FA est notamment de pouvoir fabriquer des pièces ayant directement des canaux internes avec des géométries complexes (coude, variation de diamètre...), impossible à réaliser par des procédés standards. Néanmoins, la fiabilité des procédés de fabrication additive n’est pas encore démontrée pour ce type de pièces et la caractérisation de ces canaux est souvent indirecte et destructive.

Ce projet porte sur le développement de la méthode de perte de pression pour la caractérisation de canaux fabriqués en FA. Il s’agit, à partir de mesure de la différence de pression entre l’entrée et la sortie d’un canal, de pouvoir, dans un premier temps, discriminer des canaux théoriquement identiques mais dont la réalisation montrerait des différences. Ainsi, par comparaison, il serait possible de différencier des canaux ayant des défauts de canaux sans défaut. Dans un second temps, il s’agira de pouvoir déterminer les différentes caractéristiques de ces canaux tels que leur diamètre ou la rugosité associée. Un travail de simulation complémentaire est également réalisé afin d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en œuvre et de permettre un ajustement des caractéristiques des tubes obtenus expérimentalement.

Publications et communications :

L. Fournet-Fayard, C. Cayron, A.F Obaton, I. Koutiri, V. Gunenthiram, P. Sanchez, “Influence of the processing parameters on the dimensional accuracy of In625 lattice structures made by Laser Powder Bed Fusion”, Euspen 2021

M. Praniewicz, L. Fournet-Fayard, J. C. Fox; C. Cayron, I. Koutiri, A-F. Obaton, “Bearing area curve based partitioning for the verification of theoretical supplemental geometry on additively manufactured lattice structures”, submitted to Additive Manufacturing 27/09/2022.

L. Fournet-Fayard, C. Cayron, I. Koutiri, P. Lapouge, C. Dupuy, AF. Obaton, “Thermal analysis of parts produced by L-PBF and correlation with dimensional accuracy”, conférence ICWAM, 8&9 juin 2022.

L. Fournet-Fayard, C. Cayron, I. Koutiri, P. Lapouge, C. Dupuy, AF. Obaton, “Influence of the L-PBF bead dimensions on part dimensional accuracy”, International Conference on Additive Manufacturing, ICAM 2022, Orlando, 31/10-4/11/2022.

Fournet-Fayard, L., Cayron, C., Koutiri, I. et al. Thermal analysis of parts produced by L-PBF and correlation with dimensional accuracy. Weld World (2023). https://doi.org/10.1007/s40194-022-01452-9

A.-F. Obaton, A. Van den Bossche, O. Burnet, B. Butsch, I. Zouggarh, F. Soulard, and W. Johnson, “Novel or Improved NDE Inspection Capabilities for Additively Manufactured Parts”, Additive Manufacturing 2020, ed. N. Shamsaei and M. Seifi (West Conshohocken, PA: ASTM International, STP1637, 2022), https://doi.org/10.1520/STP163720200096

AF. Obaton, G. Weaver, L.F. Fayard, F. Montagner, O. Burnet and A. Van den Bossche, “Classification of metal PBF-LB parts manufactured with different process parameters using resonant ultrasound spectroscopy”, Weld World 2022. https://doi.org/10.1007/s40194-022-01419-w

A-F. Obaton, N. Fallahi, A. Tanich, L-F. Lafon, G. Weaver, “Statistical analysis and automation through machine learning of resonant ultrasound spectroscopy data from tests performed on complex additively manufactured parts”, submitted to Journal of Nondestructive Evaluation 14/10/2022

A.-F. Obaton, N. Fallahi, A.Tanich, L.-F. Lafon, G. Weaver, “Statistical analysis and automation through machine learning of resonant ultrasound spectroscopy data from tests performed on complex additively manufactured parts”, International Conference on NDE 4.0, Berlin, DE, 24-27/10/2022.

A-F. Obaton (invitée), G. Weaver, L. Fournet Fayard, C. Cayron, F. Montagner, O. Burnet, and A. Van den Bossche, “Inconel 625 L-PBF part categorization by process parameters using resonant ultrasound spectroscopy”, International Conference on Additive Manufacturing, ICAM 2022, Orlando, 31/10-4/11/2022.