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1. Stratégie scientifique
La stratégie scientifique du GPM mise en œuvre pour la FA s’appuie sur des approches multi-échelle et multi-physique (Fig. 1) qui visent à caractériser et comprendre les mécanismes de déformation et phénomènes physiques sous-jacents aux observations macroscopiques notamment sous différents types de chargement (non-proportionnalité, cyclique, interactions thermique-mécanique-métallurgie…).
2. Moyens mis en œuvre
Le laboratoire GPM regroupe ainsi un ensemble de savoir-faire et d’équipements d’excellence dédiés à la physique et à la mécanique des matériaux qui constitue une originalité forte dans le paysage de la recherche nationale (Fig. 2). Cette spécificité et singularité du GPM est mise au service de problématiques fondamentales et appliquées.
3. Démarche scientifique
La démarche adoptée s’applique à différents types de matériaux (métalliques et polymères) et permet notamment d’étudier la corrélation « procédés - microstructures - propriétés mécaniques » de pièces métalliques obtenues par FA (Fig. 3), en collaboration avec un acteur national majeur de la FA, la société Volum-E. Depuis 2019, deux thèses CIFRE associant le GPM et deux entreprises régionales (Analyses et Surfaces et Volum-E) s’intéressent à ces aspects dans le cas d’aciers 316L et d’alliages d’aluminium.
Cette dynamique de laboratoire s’inscrit dans un environnement régional riche (industriel et académiques). A l’échelle nationale, le laboratoire participe au GDR FAM (Fabrication Additive Métallique). Dans le cadre du Laboratoire international AMME (Advanced Mechanics and Materials Engineering), le GPM a développé depuis quelques années une collaboration avec l’Université Lincoln du Nebraska (USA) autour des problématiques fabrication additive polymère hybride.
4. Activités Fabrication Additive Polymères (FAP)
L’objectif des travaux réalisés est de modifier les interfaces entre couches lors d’une fabrication par processus FFF (Fused Filament Fabrication) au moyen d’un traitement mécanique de surface (grenaillage ou shot-peening). Ces effets d’interface augmentent l’anisotropie lors de la fabrication de pièces polymères et créent des effets bénéfiques d’un point de vue mécanique, augmentation de la ténacité des échantillons notamment (Fig. 4).
Via les machines de FA du laboratoire (FFF, Arburg Plastic Freeforming, stéréolithographie pour les polymères – SLM 100 pour les métalliques), il est possible d’élaborer des éprouvettes destinées à la caractérisation et d’évaluer l’influence des différents paramètres de fabrication dans le but d’optimiser certaines propriétés mécaniques [2]. On peut aussi fabriquer des structures lattice afin d’analyser les liens entre l’architecture cellulaire et les propriétés (Fig. 5).
5. Activités Fabrication Additive Métalliques (FAM)
Pour illustrer les travaux en lien avec la FAM, on peut présenter quelques exemples d’études. Le premier exemple concerne la comparaison des mécanismes de rupture au sein de pièces en superalliage base nickel réalisées par des moyens conventionnels (coulé) ou obtenues via Fusion sur Lit de Poudre (SLM). Les analyses à faible échelle permettent notamment d’expliquer l’origine de la ténacité accrue des matériaux issus de FA, avec l’existence de cupules aux parois plus larges qui contribuent à dissiper davantage d’énergie mécanique lors de la fissuration (Fig. 6).
Le deuxième exemple présente des résultats d’analyses qui permettent de caractériser les microstructures issues de FA en exploitant les compétences et outils de pointe disponibles au sein du laboratoire [3]. En particulier, les cartographies EBSD (Fig. 7a) permettent d’étudier la texture et l’anisotropie des matériaux obtenus par FA afin de corréler paramètres de fabrication (puissance du laser, vitesse et stratégie de lasage), formation de microstructures spécifiques (cf. bain de fusion Figs. 7b et 7c) résultant de forts gradients de température propres au procédé, et propriétés mécaniques macroscopiques. Informations fondamentales pour concevoir et produire via FA des pièces fiables et durables [4].
6. Projets en cours et perspectives
Plusieurs projets ont débuté au cours des dernières années (SCAMPI – Solutions pour la Conception et l’Analyse de Matériaux à Propriétés Innovantes, PFAN – Plateforme Normande de Fabrication Additive - collaboration GPM / Crismat et CLIP FAM – Caractérisation du LIt de Poudre Fabrication Additive Métallique, projet collaboratif académique et industriel normands). Ils seront consolidés par d’autres projets à venir (NiChroFab 2020-2023, financement labex EMC3, collaboration GPM Crismat). Ces travaux s’articulent autour de deux problématiques : (i) compréhension du lien entre procédé, microstructure et propriétés mécaniques et (ii) comportement mécanique de structures lattice.
Enfin, la collaboration avec l’Université du Nebraska va être renforcée en développant un axe de recherche visant à élaborer puis caractériser des matériaux métalliques à gradients de propriétés.
Contact : Benoit Vieille Benoit.Vieille@insa-rouen.fr - 33232959756
References
[1] H. Hadidi, B. Mailand, T. Sundermann, E. Johnson, G. Madireddy, M. Negahban, L. Delbreilh, M. Sealy, Low velocity impact of ABS after shot peening predefined layers during additive manufacturing, Procedia Manufacturing, 34, 2019, 594-602.
[2] H. Ramezani Dana, F. Barbe, L. Delbreilh, M. Ben Azzouna, A. Guillet, T. Breteau.Polymer additive manufacturing of ABS structure: influence of printing direction on mechanical properties. Journal of Manufacturing Processes 44:288-298, 2019.
[3] B. Vieille, C. Keller, M. Mokhtari, H. Briatta, T. Breteau, J. Nguejio, F. Barbe, M. Ben Azzouna, E. Baustert. Investigations on the fracture behavior of Inconel 718 superalloys obtained from cast and additive manufacturing processes. Submitted to Materials Science and Engineering, February 2020.
[4] C. Keller, M. Mokhtari, H. Briatta, B. Vieille, P. Bernard. Influence of a rescanning strategy with different laser powers on the microstructure and mechanical properties of Hastalloy X elaborated by powder bed fusion. To be submitted to Materials Science and Engineering.