Dossier synthèse matériaux

L'aluminium AlSi7Mg0.6 (As7G06)

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ALUMINIUM ALSI7MG0.6

 Cet alliage d’aluminium est bien connu des fondeurs. C’est en effet une nuance commune utilisée pour les pièces de fonderie, selon des process sous pression ou par gravité. On retrouve en éléments d’addition le Silicium (Si), à hauteur de 7%, améliorant la coulabilité de l’aluminium et du Magnésium, à hauteur de 0.6%, améliorant les propriétés mécaniques de l’alliage.

Cette nuance se retrouve également dans l’univers de la fabrication additive. Et plus particulièrement sur la technologie de fusion laser sur lit de poudre. Suivant les constructeurs machine, cette technologie porte différents noms : SLM, DMLS, LBM… Le principe, assez commun en fabrication additive, est basé sur l’empilement de couches, comme les technologies de dépôt de fil ou stéréo-lithographie.

La matière première est ici de la poudre métallique, constituée de grains sphériques, à la granulométrie variant entre 20µm et 45µm. Un rouleau ou un racleur vient étaler une couche de poudre sur un plateau. L’épaisseur de la couche varie selon les machines, les puissances, les fournisseurs mais est en général comprise entre 20µm et 100µm. un faisceau laser vient ensuite balayer cette fine couche de poudre pour la fusionner sur les zones représentant la section de la pièce. Ce principe d’étalement + fusion est répété sur toute la hauteur de la pièce, afin de la constituer. Ces empilements de couches engendrent dans la majorité des technologies des différences de caractéristiques matériaux suivant les directions des sollicitations. En effet, des sollicitations dans la direction d’empilement auront tendance à décoller les couches, contrairement aux autres directions qui feront travailler la couche.
La première couche étant fusionnée sur le plateau, des étapes de post-traitement sont nécessaires afin de retirer la pièce de celui-ci (découpe fil, usinage). Des traitements thermiques sont également possibles afin de dissiper les contraintes internes générées par la fabrication.

Nous avons sélectionné l’alliage AlSi7Mg0.6 pour cette campagne, qui avec l’AlSi10Mg, fait partie des 2 alliages les plus utilisés pour la fabrication de pièces en fusion laser sur lit de poudre.

En fabrication additive, les caractéristiques mécaniques du matériau et donc de la pièce obtenue vont être déterminées par le triptyque : machine, matière et paramètres de fabrication.

Afin de s’assurer d’une meilleure représentativité, nous avons fait le choix de caractériser 2 lots matière, chacun provenant d’un fournisseur différent utilisant chacun une machine de constructeurs différents.

 

I - ESSAIS STATIQUES

Des essais statiques de caractérisation ont été réalisés sur des éprouvettes provenant des 2 fournisseurs. Pour chaque fournisseur, les éprouvettes ont été réalisées suivant les 2 directions principales de synthétisation : éprouvette verticale et éprouvette horizontale dans le bac de production.

De ces essais, il en ressort un comportement relativement isotrope du matériau. En effet, pour chaque fournisseur, les écarts de caractéristiques mécaniques (module d’Young, Rp0,2, Rm…) entre directions de synthétisations sont compris entre 10 et 20%. Pour comparaison, ils étaient de l’ordre de 80% pour le polymère Duraform HST.
Cela signifie, aux écarts précités près, que l’orientation de la pièce dans le bac de production n’aura que peu d’impact sur les caractéristiques mécaniques de celle-ci. L’orientation n’aura donc d’impact « que » sur l’aspect de la pièce, la rugosité et le besoin ou non de supportage de certaines zones. Cependant les zones de supports vont dégrader la tenue fatigue, cf chapitre à suivre.

Comparaison, par fournisseur, des modules d'Young à iso-échelle : 

fabrication additive-comparaison module Young

 

II-Porosités

Afin d’évaluer la porosité du matériau issu de fabrication additive, une étude comparative a été réalisée entre 2 process : fonderie cire perdue et fabrication additive. Cette étude comparative est réalisée, pour les 2 processus, sur une même nuance matériau : AlSi7Mg0,6.

Pour ces essais, 3 échantillons ont été réalisés :

• Pièce cylindrique issue de fonderie cire perdue ;
• Éprouvette ‘’verticale’’ issue fabrication additive ;
• Éprouvette ‘’horizontale’’ issue fabrication additive.

Les échantillons ont été résinés puis préparés et polis avec différents grains de taille décroissante : de 200 à 4000. Aucune attaque chimique n’a été réalisée sur les faces observées, afin d’observer au mieux les porosités.

fabrication additive - préparation échantillon

fabrication additive - préparation échantillon

 

      1. Fonderie cire perdue

fabrication additive - porosités cire perdue

 

      2. Fabrication additive

fabrication additive - porosités

 

      3.Conclusion

Sur les sections visualisées, les échantillons issus de fabrication additive présentent un taux de porosités inférieur à l’échantillon issu de fonderie cire perdue.
La santé matière des process de fusion sur lit de poudre est donc, a minima, équivalente à celle de process plus usuels pour la fabrication de pièces série comme la fonderie cire perdue ici présentée.
Les process de fonderie sous pression (s’opérant à grande vitesse d’injection) ayant aussi tendance à enfermer des bulles d’air.
De plus, les très rapides transitions thermiques du processus de fabrication additive engendrent une grande finesse des grains (structure métallographique). Cette finesse des grains permet d’obtenir sur l’alliage brut de fusion des caractéristiques mécaniques supérieures au même alliage issus des processus traditionnels.

Sur l’image ci-dessus, la porosité de forme circulaire (Ø70µm) présente sur l’échantillon issu de fabrication additive est due à une évaporation de gaz. Le laser vient localement apporter trop d’énergie, et vaporiser les couches inférieures. Le gaz ainsi créé tend à s’échapper, en traversant la zone en fusion, créant les porosités.
L’utilisation des technologies de fusion sur lit de poudre engendre le plus fréquemment ces types de défauts :

  • Gaz occlus (phénomène de keyhole) ;
  • Manque de matière ;
  • Manque de fusion ;
  • Balling (cordons discontinus).

 

III - FATIGUE

Les essais en fatigue sont réalisés en flexion rotative sur banc de tests spécifiques, instrumentés pour ce type d’essais. Les essais se basent sur la norme ISO12107, permettant l’exploitation des résultats suivant une méthodologie statistique.
Cette norme s’appuie sur la méthode de l’escalier, aussi connue comme la ''Staircase Method''.

Les éprouvettes rompues ont un faciès spécifique : il s’agit d’une rupture par fissuration progressive.
Sur ce faciès, 3 zones peuvent être mises en évidence :

  • Zone 1 : zone d'amorçage, simple ou multiple ;
  • Zone 2 : zone de propagation de la fissure, lisse et soyeuse, généralement plane ;
  • Zone 3 : zone plus ou moins granuleuse, plus tourmentée, dont le plan de rupture peut différer, et qui correspond à la rupture franche et rapide finale.

fabrication additive - faciès rupture fatigue

La zone d’amorçage peut être due à une porosité ou un défaut tel que présenté précédemment.
Elle peut aussi avoir été créée par le retrait d’un support nécessaire à la réalisation des pièces en fabrication additive métallique, comme cela est le cas sur la vue de gauche ci-dessus.