Introduction

Le frittage sélectif par laser (SLS) est une technique de fabrication additive généralement utilisée pour le prototypage rapide et la production en petite quantité de composants fonctionnels. Le processus utilise un faisceau laser pour fritter des matériaux en poudre, les liant les uns aux autres pour créer une structure solide. Le laser fusionne sélectivement des zones prédéfinies d'un lit de poudre en scannant des coupes transversales générées à partir d'une description numérique en 3D de la pièce requise. Après le balayage de chaque section, une nouvelle couche de matériau est appliquée par-dessus, et le processus est répété jusqu'à ce que la pièce soit terminée.

La production des couches de poudre est un processus de précision qui nécessite une matière première pouvant être distribuée de manière fiable par le système de distribution et déposée sur le lit de fabrication de manière cohérente, sans agglomérats ni vides. Un écoulement intermittent ou des agglomérats dans la masse entraîneront un dépôt non uniforme, ce qui nuira à l'efficacité du processus et aux propriétés du produit final. L'identification des propriétés des poudres qui favorisent la formation de couches uniformes et reproductibles permet d'optimiser les nouvelles formulations et d'identifier les matières premières appropriées, sans avoir à supporter les coûts et le temps considérables associés à l'évaluation de la compatibilité des matériaux par le biais d'un processus. Cette approche permet également de réduire l'apparition de produits finaux non conformes aux spécifications.

L'effet des différents additifs

Trois échantillons de polyoxyméthylène (POM), dont deux contenaient des additifs différents (un pigment et un lubrifiant), ont été utilisés dans une machine SLS. Il a été observé que les trois formulations s'écoulaient différemment de la trémie de stockage dans la machine, ce qui entraînait des variations dans les propriétés et la qualité du produit final. Une série de techniques de caractérisation traditionnelles ont été utilisées, mais elles n'ont pas permis de différencier les échantillons. Les trois formulations ont donc été analysées à l'aide d'un rhéomètre à poudre FT4, qui a révélé des différences claires et reproductibles entre elles, ce qui a permis de rationaliser les performances en cours de fabrication.

Résultats des tests

Essai dynamique : Énergie de fluidité de base

L'échantillon contenant l'additif d'écoulement a généré une énergie d'écoulement de base (BFE) plus élevée que les deux autres échantillons, nécessitant plus d'énergie pour déplacer la lame FT4 à travers le lit de poudre. Dans ce cas, une BFE élevée est un indicateur d'un conditionnement plus efficace dans le vrac et suggère que l'ajout de l'additif d'écoulement a permis d'obtenir un matériau plus fluide.

Essais en vrac : Perméabilité

L'échantillon contenant l'additif d'écoulement a généré la chute de pression la plus élevée à travers le lit de poudre à une faible contrainte de consolidation, ce qui indique une perméabilité réduite et reflète l'état d'emballage plus dense de ce matériau plus fluide. Bien que la perte de charge des trois échantillons ait augmenté en cas de consolidation plus importante, le POM pur et l'échantillon contenant un pigment ont présenté un changement beaucoup plus important que l'échantillon contenant un additif d'écoulement.

Une faible sensibilité à un changement de consolidation est un autre indicateur d'une masse mieux tassée, c'est-à-dire qu'il y a moins de vides d'air dans lesquels les particules se déplacent lorsqu'elles sont soumises à une force extérieure. C'est la perméabilité de l'échantillon contenant le pigment qui a le plus changé, ce qui suggère un plus grand volume d'air entraîné dans le vrac, signe d'une plus grande cohésivité.

Test de cellule de cisaillement

Une différenciation limitée a été observée entre les échantillons en termes de valeurs de contrainte de cisaillement mesurées. Cela suggère que l'essai en cellule de cisaillement n'est peut-être pas la technique la plus pertinente pour caractériser les propriétés d'écoulement dans les processus dynamiques à faible contrainte qui prévalent dans les applications SLS.

Conclusion

Le FT4 a quantifié des différences claires et reproductibles entre trois échantillons dont on sait qu'ils se comportent différemment au cours du processus. Les résultats démontrent également qu'une seule technique (telle que l'essai en cellule de cisaillement) peut ne pas être suffisante pour décrire complètement le comportement des poudres dans une gamme de régimes de contrainte et d'écoulement.

La fluidité de la poudre n'est pas une propriété inhérente au matériau, mais plutôt la capacité de la poudre à s'écouler de la manière souhaitée dans un équipement spécifique. Un traitement réussi exige que la poudre et le procédé soient bien adaptés et il n'est pas rare qu'une même poudre donne de bons résultats dans un procédé mais de mauvais résultats dans un autre. Cela signifie que plusieurs méthodologies de caractérisation sont nécessaires, dont les résultats peuvent être mis en corrélation avec le classement du procédé pour produire un espace de conception des paramètres qui correspondent à un comportement acceptable du procédé. Plutôt que de s'appuyer sur la caractérisation d'un seul nombre pour décrire le comportement de tous les procédés, l'approche multivariée du FT4 simule une série d'opérations unitaires, ce qui permet d'étudier directement la réponse d'une poudre à diverses conditions de procédé et d'environnement.