Additive Layer Manufacturing of copper by laser beam melting

La Fabrication Additive (FA) de pièces à base de cuivre constitue un enjeu important pour de nombreux domaines comme l’électronique, l’aérospatiale, l’automobile ou le luxe grâce aux formes et aux designs qu’elle autorise, irréalisables avec les procédés de fabrications conventionnels et grâce à l’optimisation de forme, qui permet d’obtenir les mêmes fonctions de pièces (conduction électrique, contrainte mécanique …) avec des masses réduites. Les procédés de FA métallique, et notamment les procédés de fusion laser lit de poudre (SLM) permettent aujourd’hui de mettre en forme de nombreux matériaux comme les alliages de titane, d’acier ou d’inconel. Le cuivre reste un matériau complexe à mettre en œuvre à l’aide des lasers infra-rouge (IR : λ ≈ 1.03 µm) couramment utilisé sur les machines SLM) à cause de sa forte conductivité thermique et de sa forte réflectivité dans l’IR. Le présent travail de thèse, réalisé dans le cadre d’une collaboration entre AddUp et le laboratoire PIMM (Groupe Laser), s’articule autour des points d’intérêt suivants: (1) la compréhension de l’interaction laser-matière lors de la fusion du cuivre pour différentes longueurs d’onde laser : IR (1.03 à 1.08 µm), vert (0.515 à 0.532 µm) ou bleu (0.45 µm), (2) la recherche d’une paramétrie optimale pour le procédé SLM sur le cuivre en termes de productivité et taux de porosité des pièces pour la création de pièce 3D , (3) la mise en œuvre de poudres revêtues (Ni, C, O) pour faciliter la fusion laser IR. Plusieurs expérimentations ont été menées pour répondre à ces objectif : (1) des mesures d’absorptivité (sphère intégrante d’Ulbricht) pour déterminer la quantité d’énergie absorbée pour un état de la matière donné (lit de poudre, solide liquide ou keyhole), (2) La fusion de mono-cordons pour déterminer les plages de stabilité du procédé SLM et estimer les dimensions des cordons lors de la fabrication, (3) l’étude métallographique de l’influence des paramètres procédé sur la densité des pièces (taux de porosité) et leurs propriétés microstructurales et électriques . Les expériences SLM ont été réalisées à la fois sur des bancs prototypes et des enceintes instrumentées. Au final, à travers les différentes solutions techniques testées (changement de longueur d’onde, fonctionnalisation des poudres …), des pièces denses à plus de 99.5 % ont pu être obtenues ainsi qu’une meilleure compréhension globale de l’interaction laser – lit de poudre – zone fondue dans le cas du cuivre pur.Additive Manufacturing (AM) of copper-based parts is a key point for many industrial sectors such as electronics, aerospace, automotive or luxury. Indeed, AM processes not only make it possible to build shapes or designs of parts that cannot be possible with conventional manufacturing processes but also allows to obtain similar functions (electrical conduction, mechanical resistance) while reducing the mass. On the one hand, metallic AM processes, and in particular powder bed laser fusion, allow to obtain dense parts made of materials such as titanium, steel or inconel alloys. On the other hand, copper is a more complex metal to manufacture due to its high reflectance under infrared laser irradiance (IR: λ ≈ 1.03 µm, commonly used on SLM machines) and because of its high thermal conductivity. The current thesis work, carried out as a cooperation between AddUp and PIMM laboratory, was focused on the following points of interest: (1) The understanding the laser-matter interaction during copper melting for different laser beams and different wavelengths like IR (1.03 to 1.08 µm), green (0.515 to 0.532 µm) or blue (0.45 µm), (2) the search for optimization parameters (productivity and part porosity rate) of the SLM process for the creation of 3D parts and (3) the use of coated powders (Ni, C, O) to improve IR laser melting. Several experiments have been carried out to fulfil these objectives: (1) absorptance measurements (with integrating Ulbricht sphere) to determine the amount of energy absorbed for a given state of matter (powder bed, liquid solid or keyhole), (2) the fusion and analysis of single tracks (with or without powder) to determine the stability ranges of the SLM process and to estimate the dimensions and stability domains of the beads during manufacturing, (3) a detailed investigation on the influence of process parameters on final properties of 3D copper parts (porosity rate, microstructure, electrical conductivity). All the corresponding SLM tests have been carried out either on small instrumented SLM chambers or on a SLM prototype machine allowing to use up to 1 kW IR or green lasers. Finally, through the different approaches tested in this work, more than 99.5 % density could be obtained on SLM-manufactured copper, together with a much better understanding of laser – powder bed – melt-pool interaction in the case of pure copper