Caractérisation des poudres métalliques pour la fabrication additive

La fabrication additive (AM), également appelée impression 3D, est le processus de construction d’une structure ou d’un composant tridimensionnel à partir de zéro, généralement couche par couche. Il existe sept grandes catégories de procédés de fabrication additive, telles que définies par le comité ASTM F42 sur les technologies de fabrication additive. L’un des procédés AM à la croissance la plus rapide est la fusion sur lit de poudre, dans laquelle une couche de poudre est déposée sur une plateforme de fabrication et un laser ou un faisceau d’électrons est utilisé pour faire fondre ou fusionner sélectivement la poudre. Après la fusion, la plateforme est abaissée puis le processus est répété couche par couche jusqu’à ce que la fabrication soit terminée. La poudre non fusionnée est retirée de la chambre de fabrication et généralement recyclée selon son état. Les poudres métalliques sont les matériaux les plus couramment utilisés, bien que les poudres céramiques et polymères soient également largement utilisées.

L’efficacité des procédés de fabrication additive sur lit de poudre et la qualité des composants finis dépendent largement du comportement d’écoulement et de la densité de tassement des poudres. La taille des particules influence directement ces propriétés et constitue donc une spécification clé pour les poudres utilisées dans ce procédé, la taille optimale des particules étant de 15-45 μm pour le Selective Laser Melting (SLM) et de 45-106 μm pour l’Electron Beam Melting (EBM). La forme des particules et la distribution des formes de particules sont également connues pour influencer l’écoulement et le tassement des poudres et constituent donc un autre indicateur clé de la qualité de la poudre.

La diffraction laser est une technique bien établie pour déterminer la distribution granulométrique des poudres métalliques (ASTM B822) et fonctionne en mesurant la variation angulaire de la lumière diffusée lorsqu’un faisceau laser traverse une dispersion de la poudre métallique. Il s’agit d’une technique rapide, à haut débit et à haute résolution qui permet de quantifier toutes les fractions granulométriques de la poudre métallique, y compris la quantité de fines, comme illustré ci-dessous.

La diffraction laser suppose que toutes les particules sont sphériques ; ainsi, tout en fournissant des données granulométriques à haute résolution (basées sur une sphère de taille équivalente), elle ne donne aucune information sur la forme. Une technique complémentaire à la diffraction laser est l’imagerie automatisée, où des images de particules individuelles sont capturées et analysées afin de déterminer leur taille, leur forme et d’autres propriétés physiques. Des distributions statistiquement représentatives peuvent être construites en mesurant des dizaines à des centaines de milliers de particules métalliques par mesure. Grâce à des algorithmes avancés d’analyse d’image, les particules peuvent ensuite être classées selon leur rugosité de surface, leur irrégularité et la présence de satellites, comme illustré ci-dessous.

Le Mastersizer 3000 de Malvern Panalytical (diffraction laser) et le Morphologi 4 (imagerie automatisée) sont des technologies de référence de leur catégorie, de plus en plus utilisées dans ce secteur pour :

• Garantir un approvisionnement constant en poudre et éviter les variations de qualité du produit final
• Identifier les poudres adaptées aux machines avec différents systèmes d’étalement ou de râteau
• Optimiser les conditions d’atomisation afin d’obtenir les caractéristiques souhaitées de la poudre
• Prévoir et optimiser la densité de tassement et les caractéristiques d’écoulement de la poudre
• Suivre les évolutions des propriétés de la poudre pendant le traitement et le recyclage