Source d'énergie pour la fabrication additive haute énergie

Contact: Tiberiu Minea

La gestion de l’énergie est de nos jours une priorité. Il en va de même dans la fabrication additive (FA), considérée partie prenante de la 4^ème révolution industrielle. Le programme Investissements d’Avenir a soutenu depuis 2015 cet axe de recherche et le fait encore.

Notre laboratoire s’est investi dans la recherche sur la FA haute énergie, particulièrement sur les procédés sur lit de poudre métallique et tournés vers les céramiques. Au niveau du plateau de Saclay, le LPGP est partenaire de Initiative de Recherche Stratégique (IRS) Fabrication Additive Paris-Saclay (FAPS). Au niveau national, le laboratoire est impliqué dans le Groupement d’Intérêt Scientifique (GIS) HEAD pour « Haute Energie en Fabrication Additive » piloté par le CNRS et surtout dans le groupement de travail sur les ‘Sources d’énergie’ qu’il pilote au côté du PIMM. Egalement, nous participons au Groupement de Recherche AMLA.

Concernant l’apport d’énergie sur la matière, il a été démontré qu’il détermine la qualité de la matière solide issue de la fusion des poudres tout comme l’efficacité du procédé FA. L’ajustement précis et le façonnage du faisceau sont les prémices pour atteindre un régime stable de fusion, avec peu de pertes de matière (évaporation), avec une bonne fusion en volume (absence de porosités), et avec un niveau de contraintes résiduelles réduit.

Les activités de recherche menées au laboratoire concernent les deux sources d’énergie couramment utilisées :

• électrons

et

• laser

Les problématiques liés à l’emploi des faisceaux d’électrons en FA sont nombreuses et s’étendent de la simulation 3D du faisceau à l’interaction électron matière, ou de la mise en forme du faisceau à sa caractérisation transverse en énergie. Une attention particulière a été portée à la modélisation de l’émission électronique – connue aussi comme l’émission thermoionique assistée par effet de champ [REF 1]. Notons que la quasi-totalité des canons à électrons utilisés en FA produisent le faisceau d’électrons par thermo-émission sous vide. La spécificité de ce faisceau par rapport à d’autres de même type (e.g. MEB – Microscopie Electronique à Balayage, MET - Microscopie Electronique à Transmission) consiste en une densité de charge extrême, car le courant peut atteindre 100 mA (1000 à 100 000 fois supérieure à celle utilisée pour le MEB ou le TEM, respectivement) pour une tension d’accélération de 50 kV environ et une tâche focale de l’ordre de 100 µm de diamètre. Ceci correspond à une densité de courant de 1 kA/cm² !!! C’est pour cette raison que les effets de charge d’espace sont très importants, et qu’il est difficile de focaliser de tels faisceaux.

La simulation auto-cohérente d’un tel faisceau sur des dimensions longitudinales de l’ordre de 1 m est un défi. En effet, il faut nécessairement prendre en compte l’effet électrostatique des électrons relativistes composant le faisceau entre eux, et traiter le problème dans les trois dimensions de l’espace – condition imposée par les configurations complexes des bobines de focalisation, de déflection et de correction (astigmatisme).

La caractérisation du faisceau est problématique aussi à cause du fort courant du faisceau. Toutefois, nous avons mis en place avec succès un moyen de mesure et de reconstruction du profil complet du faisceau en interaction avec la surface.

Une limitation sérieuse des procédés FA à faisceau d’électrons est la remontée des poudres dans le canon qui est induite par la répulsion Coulombienne entre les grains de poudre ( taille ~50 µm) si la charge du faisceau n’est pas efficacement évacuée vers la masse (effet dit « smokes » en anglais). Nous avons proposé pour cela l’emploi d’une décharge radio-fréquence linéique de configuration particulière, présentée en Figure 1 [REF 2 - 4].

Figure 1 - Images d’un plasma linéique radiofréquence produit en Ar pour différentes pressions permettant la neutralisation et le préchauffage de la poudre métallique avant fusion [REF 2].

Enfin, le dépôt d’énergie par les électrons énergétiques dans la matière solide a été modélisé à la fois pour les faisceaux d’électrons et pour les faisceaux laser.

Pour la source laser, une attention particulière a été portée à l’absorption de l’énergie par des matériaux super-réfléchissants comme le Cu, Ag, Au, etc. Plusieurs méthodes ont été proposées pour y parvenir et la plus efficace exploite le recouvrement superficiel avec une couche ultramince (25 à 50 nm) de carbone. L’absorption à 1 µm passe de 99% à 30% environ (Figure 2 - [REF 5]).

Pour plus de détails, voir la thématique "dépôt de couches ultra-minces et nanoparticules"

Figure 2 : Exemple d’interférence destructive à l’aide d’une couche de carbone de 50 nm environ sur une surface de cuivre de plusieurs µm de rugosité. Le dépôt conforme a été réalisé par magnétron DC. [REF 5]

[REF 1] B. Seznec, T. Minea, Ph. Testé, Ph. Dessainte, G. Maynard              
Theoretical Treatment of Electron Emission and Related Phenomena- ISBN: 978-3-030-98418-2/485780_1, Springer-Nature, 2022

[REF 2] S. Alhomsi, G. Bauville, S. Pasquiers, T.Minea
Experimental and numerical study of a novel configuration of Radio-Frequency Capacitive Coupled Plasma
2021 J. Appl. Phys. 130, 123302 (2021); doi: 10.1063/5.0060781

[REF 3] T. Minea, G. Walrand, G. Bauville, S. Pasquiers -              
Dispositif de chauffage pour appareil de fabrication additive                   
Heating Device For Additive Manufacturing Apparatus              
France application, FR 18/53017 filled 06 April 2018 ; Published FR3079773A1·2019-10-11
PCT/FR2019/050808 filled 05.04.2019 – delivered 18.03.2022 FR3079773
 issue 10 October 2019 WO 2019193298 A1

[REF 4] T. Minea, G. Walrand, C. Ballage, D. Ludin, T. Petty                        
Dispositif de chauffage a confinement magnétique pour appareil de fabrication additive sélective
Magnetic Confinement Heating Device For Selective Additive Manufacturing Apparatus           
France application, FR 18/53031 filled 06 April 2018 ; Published FR3079775A1·2019-10-11            
PCT International Application n° PCT/FR2019/050809 filled 05 April 2019 – delivered 26.11.2021 FR3079775; issue 10 October 2019 WO 2019193299 A1

[REF 5] A. Crespi, Ch. Ballage, M-C Hugon, D. Lundin, T. Minea
The role of amorphous nanocrystalline carbon film in the light interference of flexible copper foils
ACS Appl. Electron. Mater., 4, (2) (2022) 576–584, https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c00520