News Mardi 15 mars 2022 - 21:37

La technologie par laser vert au sein de l’UTBM

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Depuis 20 ans, l’Université de Technologie de Belfort Montbéliard (UTBM), au travers de son laboratoire LERMPS (ICB-PMDM), a développé une activité de fabrication additive métal. Elle vient de se doter d’une machine Trumpf de fabrication additive SLM ( Selective Laser Melting ) TruPrint 1000 ayant la spécificité d’être équipée d’un laser vert. Pour mieux comprendre cette technologie, A3DM Magazine a rencontré les chercheurs en charge de cette machine au sein de l’UTBM : Christophe Verdy et Ludovic Vitu.

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L’utilisation d’un laser vert pour un procédé de fusion de poudres métalliques permet l'impression 3D de matériaux très réfléchissants comme le cuivre, les alliages de cuivre ou les métaux précieux. Avec la machine TruPrint 1000 Green Edition, il est possible de produire des pièces avec des alliages de cuivre tels que le CuCr1Zr, avec une fenêtre de processus plus large et une productivité plus élevée qu'avec les dispositifs de lasers infrarouges LMF. Elle est également utilisée dans la bijouterie avec des matériaux précieux. « Cette machine permet d'obtenir des densités supérieures à 99,9 % et des pores inférieurs à 30 microns (µm) », explique le fabricant allemand de systèmes de fabrication additive. La machine dont s’est équipée l’UTBM est dotée d’une longueur d’onde de 515 nm. Représentant un investissement total de 404 000 euros TTC, réalisé grâce au soutien de la région Bourgogne Franche-Comté, ce système vient ainsi compléter un parc de machines de fabrication additive métal SLM, en plus d’autres procédés comme la projection Cold Spray.

Christophe Verdy est ingénieur de recherche au laboratoire LERMPS/ICB-PMDM de l’UTBM. Il y réalise des prestations pour des industriels et participe à des programmes institutionnels européens ou nationaux. Ludovic Vitu est maître de conférences de ce même laboratoire à l’UTBM. Il mène des études sur la fabrication additive, principalement pour les procédés de fusion sélective par laser (SLM) et par projection à froid (Cold Spay).

L’UTBM a récemment investi dans une nouvelle machine TruPrint 1000 équipée d’un laser vert. Cette technologie permet de travailler des matériaux cuivre ou alliages de cuivre. Pouvez-vous nous en dire plus ?

Christophe Verdy : Il existe aujourd’hui des techniques innovantes pour fabriquer des pièces, dont la fabrication additive métallique. Notre laboratoire travaille sur les procédés SLM (Selective Laser Melting) depuis 2009 et possède un parc de trois machines. Nous avions déjà, avec notre collègue Charles Bernage, essayé de travailler le cuivre avec des machines de fabrication additive à laser infrarouge. Mais, il est difficile de travailler le cuivre avec des machines limitées à des puissances de 400 watts, matériau qui absorbe au mieux 10 % de l'énergie incidente. Les structures imprimées sont donc relativement poreuses et non étanches. Grâce à un financement de l’UTBM et de la région Bourgogne Franche-Comté, nous avons eu la possibilité d'acquérir une machine de la société Trumpf qui s'est lancée dans les lasers verts.

Ludovic Vitu : Nous maîtrisons toute la chaîne, de la fabrication de la poudre jusqu'à la fabrication de la pièce, en passant par le contrôle. Nous sommes capables d'élaborer nos propres alliages et nous avons une approche spécifique des applications et des matériaux.

Christophe Verdy : Un des avantages du laboratoire est effectivement de posséder une tour d'atomisation qui permet de réaliser des poudres métalliques jusqu'à une température de fusion de 1 700 à 1 800 degrés, comme des aluminiums, des magnésiums, des cuivres, des inox, des nickels, ... Donc nous pouvons réaliser des alliages très spécifiques avec des compositions et des granulométries qui nous intéressent ou intéressent des industriels.

Nous sommes plutôt spécialisés en termes de recherche sur l’établissement du lien entre matériau précurseur - paramètres d'élaboration - propriétés mécaniques ou physiques. Mais nous travaillons aussi à renforcer la partie modélisation du procédé.

Quelles connaissances avons-nous du laser vert dans les procédés de fabrication ?

Christophe Verdy : Le laser vert est connu pour être mieux absorbé et ainsi pouvoir traiter les matériaux très réfléchissants comme le cuivre ou les métaux précieux. Bien sûr, tout dépend de la morphologie de la poudre qui va être illuminée par le faisceau laser.

Avec un laser infrarouge à 1050 nm, 10 % au mieux de la puissance du laser sont absorbés, alors qu’avec un laser vert, il s’agit de 30 à 40 %. Avec des lasers infrarouges de 1 000 watts, il est possible de travailler des cuivres de manière relativement correcte, mais cela nécessite de travailler à la puissance maximale, les miroirs peuvent ainsi chauffer.

Quelles sont les applications, aujourd'hui, qui ciblent cette utilisation du laser vert ?

Christophe Verdy : Il y a de nombreuses applications notamment pour des pièces à canaux avec des circuits de refroidissement optimisés que seule la fabrication additive peut permettre. De nombreuses applications insoupçonnées restent à découvrir : des électrodes, des applications dans l'horlogerie, des pièces en cuivre béryllium, du laiton, …

Ludovic Vitu : Nous ne nous limitons pas aux applications, nous essayons de développer cette activité dans plusieurs secteurs : transport, aéronautique, automobile, santé, électronique, horlogerie, armement, défense, etc. Des applications qui sont en vogue actuellement sont les échangeurs ou dissipateurs thermiques, avec le transfert de l'automobile thermique vers l'électrique en général ou encore les piles à combustible. L’intérêt est de réaliser des pièces conductrices électriques et thermiques pour bien dissiper la chaleur.

Quels sont les avantages du laser vert en fabrication additive par rapport aux autres procédés pour imprimer du cuivre ou des métaux précieux ?

Ludovic Vitu : Il y a plusieurs avantages à la fabrication additive. Tout d’abord, celui de réaliser des pièces à géométries très complexes impossibles à réaliser avec d'autres procédés conventionnels, comme par exemple l'usinage. Vous pouvez réaliser des canaux de circulation de fluides.

Christophe Verdy : Le laser vert possède une longueur d'onde plus adaptée pour ces matériaux. Il est plus facile de moduler la puissance qu’avec un laser rouge infrarouge. Nous avons ainsi plus de latitude pour faire varier la paramétrie de fabrication.

Justement, quelles sont les caractéristiques de la machine TruPrint 1000 avec laser vert ?

Christophe Verdy : Nous travaillons avec la meilleure nuance de cuivre qui est référencée par la désignation « Cu-c2 » et qui la plus pure possible. Nous arrivons à une conductivité électrique de 59,3 megasiemens par mètre (MS/m), sachant que 58,1 MS/m à 20°C correspond à la référence de 100% IACS, utilisée pour décrire l’échelle de conductivité électrique. La porosité est assez difficile à mesurer puisqu'elle est très, très faible, entre 0.1 et 0,2 %. La machine permet de réaliser des couches de 10 à 50 microns (µm). Le faisceau n’est pas réglable au niveau de la focale. L'inconvénient est le volume de fabrication de la machine TruPrint 1000 qui est relativement réduit : un diamètre de 96 mm utile sur 100 mm de hauteur mais il est fort probable que Trumpf adaptera sur demande plus tard le laser vert à des machines plus grandes.

Quels sont vos objectifs sur les matériaux avec l’utilisation du laser vert ?

Christophe Verdy : Nous souhaitons étudier des alliages de cuivre spécifiques, plus dur que le cuivre pur tout en gardant une haute conductivité électrique comme avec les alliages de cuivre argent ou le CuCrZr. L’argent permet par exemple de durcir le cuivre et d’avoir de meilleures propriétés mécaniques que le cuivre pur. Le cuivre pur obtenu brut de fabrication a une dureté relativement faible de 50 Vickers, une pièce avec une paroi fine ainsi est susceptible de se déformer rien qu'en appuyant dessus.

Quel est aujourd’hui le besoin des industriels vis-à-vis de cette technologie de laser vert ?

Christophe Verdy : Cette technologie touche énormément de secteurs. Mais, depuis que nous avons cette machine, nous avons principalement été contactés par des entreprises qui s'intéressent à des problématiques magnétiques, électriques ou thermiques.

Quels sont les freins, aujourd'hui, qui bloquent les gros industriels à investir dans cette technologie ?

Ludovic Vitu : Je pense qu’il s’agit de l’expertise qu'il faut avoir, notamment en hygiène, sécurité, environnement (HSE), formation du personnel et la lenteur du procédé. Il ne s’agit pas de juste acheter une machine, il faut la faire fonctionner avec un gain à la sortie. L’investissement est important. Les marchés associés aux alliages de cuivre sont aussi moins importants en volume que ceux sur les Inconel, aciers inoxydables, aluminium ou titane.

Cependant, des sociétés comme Safran, Dassault, etc. sont déjà équipés de machines de fusion laser sur lit de poudre. Pourquoi pas encore de systèmes équipés de laser vert ?

Ludovic Vitu : Je pense qu'ils attendent plus de retours d’expériences scientifiques. Nous n’avons pas assez de recul sur cette technologie. Notre machine est seulement la septième installée dans le monde, et la seule en France. Il existe peu de bibliographie.

Concernant l’utilisation du cuivre, quels sont les différences entre le procédé de fusion laser sur lit de poudre et les technologies avec déliantage ?

Christophe Verdy : La qualité visée n’est pas la même. Mais, nous n’avons pas assez de recul. Ce que nous savons sur notre machine est que nous avons une densité minimale de 99,8 % avec nos paramètres. Nous n’avons pas observé de fortes contraintes thermomécaniques et donc nous produisons des pièces qui ne se déforment pas et ne se décrochent pas du support. Nous savons donc que nous obtenons de la qualité matériaux, de la densité et de la précision géométrique.

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