Improvement of the LBM process by nanostructuring aluminium powders

Le procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (LBM) propose de nombreux avantages pour beaucoup de secteurs industriels par rapport à d’autres procédés conventionnels : formes complexes, allégement structural, temps de fabrication plus rapide, etc. Contrairement à de nombreux alliages déjà qualifiés industriellement, les alliages d’aluminium demeurent encore pénalisés lors de la mise en oeuvre avec ce procédé : réflectivité optique élevée, conductivité thermique importante, phénomène de fissuration ou encore porosité liée à la présence d’alumine non fondue. Les travaux réalisés au cours de cette thèse se sont portés sur l’amélioration des propriétés optiques des poudres d’aluminium par une approche de nanostructuration de la surface des particules. Pour cela, deux voies de fonctionnalisation des poudres ont été étudiées. La première s’est portée sur la réalisation de revêtements uniformes de silicium créant alors des phénomènes interférentiels et permettant de maximiser l’absorption optique à une longueur d’onde précise qui correspond à celle des lasers utilisés en LBM (1 064 nm). Les travaux basés sur un modèle utilisant la théorie de Mie ont permis d’identifier l’intérêt de déposer un revêtement de silicium de 215 nm augmentant ainsi l’absorbance d’une particule d’aluminium de 4 % à 25 %. La seconde solution étudiée est l’augmentation de la rugosité de la poudre d’aluminium par un dépôt en surface de particules nanométriques. Ce procédé a été réalisé par réduction chimique en voie liquide pour déposer du cuivre. L’objectif ici, en plus d’une augmentation de l’absorption optique, est la formation in situ d’un alliage Al–Cu lors du procédé de fusion laser. Après dépôt de cuivre, l’absorption optique de la poudre à 1 064 nm est améliorée de 70 %. Pour terminer, des essais de fusion laser de la poudre d’AlSi12 revêtue de 4 % massique de cuivre ont été réalisés pour étudier l’impact du revêtement sur la densité d’énergie permettant de fabriquer une pièce dense. Il a été constaté une diminution notable de cette densité en comparaison de celle d’autres alliages Al–Cu de la littérature, sans toutefois pouvoir attribuer ce résultat à la seule amélioration de l’absorption optique de la poudre dans la mesure où les alliages sont de stoechiométrie légèrement différente.Laser powder bed fusion process (LPBF) offers many advantages for industrials compared to conventional processes: complex shapes, structural lightening, faster prototyping, etc. Unlike other metals already industrially qualified, aluminium alloys still face several difficulties with this process: high optical reflectivity, significant thermical conductivity, crack phenomenon or porosity due to the presence of unmelted alumina. Studies carried out during the thesis focused on improving optical properties of aluminium powders. For this purpose, two strategies were studied. The first is the development of a silicon coating in order to create interferential phenomena to maximize the optical absorption for a specific wavelength (1 064 nm). Model-based work using Mie theory has identified the interest in deposing a silicon coating of 215 nm on the surface of aluminium particles reducing the reflectivity from 96 % to 75 %. The second strategy is the increase of the roughness of aluminium powder with nanoparticles deposit on the surface. The process used is electroless to deposit copper on the powder. The objective here, in addition to a better optical absorption, is the in situ formation of a new Al–Cu alloy during the process. After copper deposition (4 %wt), the absorption of the powder at 1 064 nm is improved by 70 %. Finally, laser melting tests of the AlSi12 powder coated by 4 %wt of copper were performed to evaluate the impact of the coating on the energy density to print dense parts. Results showed a reduction of the necessary energy density with respect to literature data for other Al-Cu alloys. However, due to differences in stoechiometry, such an improvement cannot be unambiguously assigned to a better optical absorption