Magazine Vendredi 13 décembre 2019 - 09:57

Traitements et parachèvements de pièces métalliques produites par fabrication additive

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Les surfaces brutes issues des procédés de fabrication additive ont des niveaux de rugosité élevés. Les pièces imprimées nécessitent, selon les besoins, des post-traitements.

Par Sylvain BATBEDAT (BODYCOTE Western & Southern Europe) et Jean-Yves HINH (Institut UTINAM, Université de Franche-Comté), membres du conseil d’administration de A3TS -Association de Traitement Thermique et de Traitement de Surface.

La méthodologie de mise en œuvre par fusion/solidification successive de couches de matière fait que les technologies de fabrication additive métallique génèrent des gradients thermiques importants, et donc des déformations plastiques hétérogènes ainsi que la création de contraintes résiduelles internes. Les pièces brutes issues de fabrication additive vont présenter les caractéristiques suivantes.

  • Microstructure très fine.
  • Morphologie hétérogène.
  • Composition chimique locale inhomogène.
  • Anisotropie importante des propriétés.
  • Faible ténacité.
  • Structure sous contrainte.
  • Présence éventuelle de microporosités.

Pourquoi des traitements post-fabrication additive ?

Les surfaces brutes issues des procédés de fabrication additive ont des niveaux de rugosité élevés, avec des valeurs de Ra qui vont couramment atteindre plusieurs dizaines de μm, à comparer aux surfaces issues des procédés conventionnels (tournage, fraisage...) dont le Ra est très inférieur à 10 μm et aux traitements de superfinition avec un Ra < 0,1 μm. Un tel niveau de surface n’est pas toujours nécessaire, au moins sur l’ensemble de la pièce produite, mais il est important de définir les besoins en termes de qualité de surface pour adapter l’étape de finition.

Pour atteindre les fonctionnalités visées, les caractéristiques des pièces brutes peuvent être améliorées par différents traitements de parachèvements : détensionnements, traitements thermiques dans la masse, finitions de surface, etc. Il faut garder à l’esprit que, dans un certain nombre de cas, les accès aux surfaces (structures lattices, canaux internes...) peuvent être limités et contraindre sévèrement les opérations de finition de surface. De plus, le concept même des procédés additifs, de type Near Net Shape, impose d’adopter des solutions technologiques qui consisteront à enlever le minimum de matière.

Le coût global de ces opérations de traitement et de parachèvement représente une part considérable du coût global de production, souvent supérieur à 40 %. Ces opérations font l’objet de travaux de recherche et de développement (R&D) multiples, réalisés conjointement par des industriels et des laboratoires afin de mettre au point des solutions industrielles robustes, adaptées aux exigences fonctionnelles et compétitives. Le posttraitement comprend les traitements thermiques, qui vont modifier les propriétés structurales des pièces brutes, et les traitements de surface, qui vont agir sur les caractéristiques de la surface. 

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Les objectifs des traitements thermiques post-fabrication additive

Il est important, voire nécessaire, de prévoir certains traitements thermiques lors de travaux d’impression à partir de matériaux tels que les aciers, les alliages Al et Ti, CoCr, les superalliages base nickel. A minima, il est impératif de prévoir une relaxation par « détente ». Et souvent, il sera conseillé des traitements tels que le « recuit d’homogénéisation », le « vieillissement », la « mise en solution » (pour l’aluminium et le nickel), l’« hypertrempe » (inox), la « densification totale HIP » (titane, base nickel) et les « durcissements superficiels » (nitruration, cémentation basse pression)…, voire la possibilité de réaliser des « assemblages par brasage » et « soudage FE ». Les objectifs de ces traitements thermiques sont nombreux.

  • Une relaxation des contraintes internes afin de supprimer les risques de fissuration prématurée ou différée et de maîtriser (autant que faire se peut) les déformations de la pièce finale.
  • Une amélioration de la microstructure des alliages avec une limitation de l’anisotropie et une homogénéisation de la structure.
  • Une augmentation des propriétés mécaniques afin d’atteindre les caractéristiques requises pour l’utilisation, telles que la résistance à la traction, l’allongement à la rupture, la résilience et la tenue en fatigue.
  • Faciliter les opérations de finition de surface par des méthodes mécaniques ou chimiques.
  • Assurer une densification interne totale, garante d’une grande fiabilité à l’emploi ou du respect des règles de sécurité (aéronautique, médical).

Exemples du détensionnement et de la compression isostatique à chaud (CIC/HIP)

Détensionnement

Les contraintes à l’état brut sont élevées et peuvent atteindre près de 500 MPa en traction (mesures CETIM). Ces contraintes résiduelles de traction favorisent le risque de fissuration directement sur le plateau support ou lors du retrait de la ou des pièces du plateau, voire même ultérieurement, pendant l’utilisation des pièces. Elles génèrent aussi des déformations de forme. L’élimination de ces contraintes par détensionnement permet donc de remettre les pièces dans un état d’équilibre plus stable et de maîtriser les déformations finales.

Compression isostatique à chaud

La compression isostatique à chaud (CIC ou HIP) consiste à combiner l’effet d’une forte pression appliquée en tous points par un gaz neutre et l’effet d’une température élevée. Ce procédé est applicable sur les aciers, les superalliages base nickel, les alliages d’aluminium, le cobalt-chrome, les alliages de titane et les céramiques. Cette combinaison permet (par déformation plastique, puis fluage et diffusion des atomes et/ou des lacunes) de supprimer les porosités fermées présentes dans les pièces fabriquées en additive. Les gains obtenus sont une meilleure reproductibilité des résultats et propriétés mécaniques, ainsi qu’un accroissement de la limite de fatigue et de la ductilité.

Le post-traitement comprend les traitements thermiques, qui vont modifier les propriétés structurales des pièces brutes, et les traitements de surface, qui vont agir sur les caractéristiques de la surface.

La rugosité de surface en fabrication additive

Diminuer la rugosité de la surface des pièces après leur mise en forme est une préoccupation ancienne, principalement dans des secteurs comme l’horlogerie, l’industrie agroalimentaire, les dispositifs médicaux ou l’industrie du luxe. Des savoir-faire se sont forgés au fil du temps avec ce type de référentiel et des défauts résultant pour la plupart de l’usinage. Aujourd’hui, c’est un tout autre défi qu’il faut relever lorsqu’on se préoccupe du parachèvement de pièces issues de fabrication additive. Le post-traitement doit permettre d’améliorer l’état de surface général (rugosité et élimination des particules), y compris dans les zones occluses telles que les canaux et les orifices qui se retrouvent plus nombreux ou complexes – grâce ou à cause de la liberté laissée au concepteur par cette technologie. Les procédés à mettre en œuvre doivent agir à différentes échelles au niveau de la surface, en éliminant les macro rugosités (> 1 μm : on parle alors de « nivelage »), mais aussi les micro rugosités (<1 μm : on parle alors de « brillantage »). Pour faire face à ces nouveaux challenges, les acteurs académiques et industriels de la communauté scientifique se mobilisent pour évaluer et adapter les techniques disponibles, les combiner dans des enchaînements d’opérations, et même concevoir de nouveaux dispositifs.

L’arrachement de matière

Une première catégorie de techniques de parachèvement se base sur l’arrachement de matière. Quoi de plus naturel – face à un substrat rugueux – que de vouloir effectuer un frottement pour rectifier la surface ? L’abrasif est mis en mouvement pour heurter la surface et effectuer une abrasion avec des opérations de sablage (sand blasting) ou de grenaillage (shot peening). Dans les deux cas, il s’agit de projeter un abrasif à grande vitesse à l’aide d’un flux d’air comprimé au travers d’une buse sur la surface à décaper. La différence entre les deux réside dans la forme de l’abrasif, anguleux pour le premier et plutôt sous la forme de billes pour le deuxième. Cet arrachement peut se faire également en immergeant les pièces dans le mélange abrasif mis en mouvement par différents procédés : vibration, fluidisation, rotation, etc. Les mouvements peuvent être appliqués aux pièces elles-mêmes, en particulier avec des centrifugeuses à axes multiples, ce qui autorise une très grande complexité de mouvements et des vitesses variables. Les limites géométriques de ces procédés sont rapidement atteintes. La durée de l’opération va permettre d’atteindre des états de surface avec des rugosités très faibles, mais souvent au détriment du respect de la géométrie des pièces. Les abrasifs peuvent également être mis en suspension dans des liquides et l’ensemble mis en mouvement par des brosses ou même des jets d’eau, si l’on considère des taux de dilution élevés. En modifiant les paramètres utilisés dans les machines de découpe à haute pression, il est possible de diminuer la rugosité de plusieurs ordres de grandeur sur les surfaces facilement accessibles. Lorsqu’il faut traiter des surfaces cachées, comme dans des canaux internes de moules d’injection, par exemple, des suspensions plus concentrées sont utilisées avec succès : il s’agit alors, littéralement, de pâtes ou slurry.

Dissolution et dépôt nivelant

La deuxième catégorie de techniques de parachèvement consiste en la dissolution directe ou assistée des métaux à la surface des pièces. On parle de « polissage chimique » lorsque la solution est suffisamment corrosive pour attaquer seule le métal, et d’« électropolissage » lorsque l’action du courant est nécessaire à l’enlèvement de matière. Les deux mécanismes peuvent survenir : la dissolution par complexation des espèces métalliques (cas des métaux non passivables) et un processus en deux étapes avec formation d’un oxyde sur la surface, retiré périodiquement. Cette deuxième catégorie de techniques est cependant nettement plus dépendante de la nature du substrat à polir. Elle nécessite, par exemple dans le cas du titane, le recours à des solutions assez agressives et délicates à mettre en œuvre. Cependant, des alternatives existent avec de nombreuses innovations, comme la mise en œuvre de courants pulsés ou de très hautes tensions permettant d’obtenir des plasmas à la surface. Enfin, pour rester dans la philosophie de la fabrication additive, il est possible de continuer d’ajouter de la matière sous la forme de dépôts nivelants, qu’ils soient métalliques ou faits de sol-gel.

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