En développement depuis plus de 30 ans, les procédés de fabrication additive ont suscité ces dernières années un intérêt grandissant au sein de la communauté scientifique et de certaines industries manufacturières. En effet, ces procédés présentent l’avantage de permettre la mise en forme d’objets aux formes complexes et personnalisables ainsi que des structures allégées. Par opposition aux procédés traditionnels par enlèvement de matière (les procédés d’usinage, dits « soustractifs »), il s’agit de méthodes de fabrication couche par couche, permettant une économie de matière première et des cycles de production raccourcis. Le procédé de fusion sélective ou de frittage sélectif par laser d’un lit de poudre est un procédé de fabrication additive aujourd’hui bien maîtrisé pour la mise en forme d’objets en métal ou en polymère. La généralisation de cette méthode de fabrication en industrie fait émerger de nouvelles problématiques, et en particulier l’élaboration de multi-matériaux. La fabrication d’assemblages céramique-métal est un challenge d’autant plus grand que les matériaux céramiques sont, de par leurs propriétés intrinsèques, difficiles à mettre en forme via ce procédé (fissuration due aux variations thermiques rapides et répétées, et mauvais transfert d’énergie du faisceau laser vers la poudre, dans le cas de l’utilisation d’un laser Nd :YAG). Le travail de thèse a, en majeure partie, concerné la mise en forme de zircone yttriée, à l’aide d’une machine commerciale de SLM/SLS équipée d’un laser Nd :YAG, et la caractérisation des objets obtenus. Un transfert efficient d’énergie du faisceau laser vers la zircone yttriée a été obtenu grâce à l’ajout de faibles quantités de graphite dans la poudre céramique. Ensuite, une vaste campagne d’essais expérimentaux a été menée afin de déterminer une gamme de paramètres opératoires (puissance du laser, vitesse de balayage, espacement entre vecteurs voisins, taux de compactage et épaisseur de couche de poudre) permettant la mise en forme de manière répétable d’objets denses. Enfin, un travail de caractérisation a été réalisé afin de décrire la microstructure de la céramique massive obtenue et évaluer certaines propriétés, notamment mécaniques. Une microstructure originale, constituée de colonnes dont les dimensions caractéristiques sont dépendantes du paramétrage du procédé, a été observée. Dans un second temps, des objets constitués d’un assemblage entre un alliage d’aluminium et de la zircone yttriée ont été fabriqués au sein de la même machine de fabrication additive. Une adaptation des paramètres opératoires lors de la transition entre les deux matériaux a été nécessaire et a permis, à l’issue d’une nouvelle campagne d’essais expérimentaux, l’obtention d’une interface céramique-métal stable. Des travaux de caractérisation ont révélé l’existence de phénomènes d’accroche mécanique ainsi qu’une interdiffusion des éléments, expliquant la bonne tenue du bimatériau. |
Additive manufacturing processes have been under development for more than 30 years and they have been raising more and more interest among the scientific community and the manufacturing industry in the last few years. Indeed, these processes have the potential to manufacture objects with complex shapes, customizable design and lightened structures. Additively manufactured objects are built layer by layer, which set them apart from the traditionally manufactured objects, machined out of a block. Therefore, materials wastes are reduced and production cycles are shortened, when compared to traditional machining processes. The selective laser melting/sintering (SLM/SLS) of a powder bed is an additive manufacturing process well mastered for the production of metal and polymer parts. It is quickly turning into a real industrial manufacturing process, raising some new challenges such as the production of multi-materials objects. The manufacturing of metal to ceramic assemblies is particularly challenging, as ceramic parts are inherently difficult to shape through this process (cracks appear while ceramics undergo repeated major thermal variations, and oxide ceramics exhibit low absorption of an incident beam produced by a Nd:YAG laser). The work completed during this PhD project was mainly focused on the manufacturing of yttria stabilized zirconia objects by means of SLM/SLS in a commercial machine equipped with a Nd:YAG laser, and on the characterization of these objects. An efficient energy transfer between the laser beam and the ceramic was successfully achieved by adding small amounts of graphite into the powder. Then, an experimental campaign was conducted in order to determine adequate process parameters (laser power, scanning speed, hatch distance, compaction rate and layer thickness) allowing the reproducible manufacture of dense objects. Various characterization techniques were implemented in order to describe the microstructure of the obtained ceramic, and to determine some of its properties. An original columnar microstructure was observed, and it was found that the thickness of the columns could be tuned by modifying the process parameters. The next stage consisted of the additive manufacturing of an assembly between an aluminum alloy and yttria stabilized zirconia, within a single SLM/SLS machine. The transition of materials from metal to ceramic during the manufacturing required an adjustment of the process parameters. New experimental tests were conducted and lead to the effective fabrication of a stable metal to ceramic assembly. Characterizations of the interface revealed that both a mechanical and a chemical bonding were responsible for the adhesion of the two materials. |