L’importance de la caractérisation des poudres métalliques
Les propriétés physiques des poudres métalliques affectent leur capacité à être utilisées dans les machines de fabrication additive et influent considérablement sur la qualité du produit final. Une poudre métallique de mauvaise qualité peut générer des défauts dans le composant final tels que des pores, des inclusions, des contraintes résiduelles, des fissures et une rugosité de surface. Une poudre de mauvaise qualité affecte le processus en compromettant l’uniformité et la fluidité du lit de poudre. Il existe une corrélation directe entre les propriétés physiques de la poudre, d’une part, et les performances du procédé ainsi que les propriétés des composants finaux, d’autre part. Par conséquent, une caractérisation approfondie des poudres permet d’optimiser le processus et d’améliorer le produit final.
La caractérisation des poudres métalliques est importante à différentes étapes du processus :
- Production de poudres pour fabrication additive: contrôle de la qualité des poudres produites avec différentes procédés.
- Choix des poudres les plus performantes: définition des caractéristiques physiques idéales des poudres en fonction du domaine d’application.
- Réception de la matière première : contrôle des paramètres spécifiques déclarés par le fabricant et suivi de la constance des approvisionnements.
- Réutilisation des poudres usagées : caractérisation des poudres après le de fabrication additiveafin de pouvoir les réutiliser au maximum et réduire les coûts de production.
Propriétés physiques des poudres métalliques pour la fabrication additive
Outre la composition chimique de la poudre, qui est fondamentale pour la qualité du composant final, les caractéristiques physiques de la poudre déterminent ses performances: ces caractéristiques comprennent à la fois les propriétés bulk du lot de poudre et les propriétés des particules individuelles. Les propriétés fondamentales des poudres sont leur capacité à s’écouler et à se compacter de la meilleure façon possible pour permettre un dosage et une stratification cohérents. Ces propriétés sont directement, mais pas exclusivement, influencées par la taille et la forme des particules, ainsi que par la rugosité de surface et la charge électrostatique. La fluidité, la densité de compactage, la distribution granulométrique et la forme des particules peuvent être évaluées rapidement et efficacement par une analyse de la rhéologie des poudres, de la densité, l’analyse granulométrique ou morphologique.
Figure 1. Images SEM des particules de deux poudres métalliques
Taille et forme des particules
La taille des particules d’une poudre destinée à la fabrication additive doit se situer dans une plage de taille adaptée au procédé. De plus, les proportions relatives de particules fines et grossières sont essentielles pour contrôler et prédire la densité de compactage de la poudre. La densité de compactage maximale est obtenue avec une distribution qui comprend le bon rapport entre les particules grossières et les particules fines, où les particules plus fines remplissent les espaces laissés par les particules plus grosses.
La forme des particules influence à la fois la capacité de compactage de la poudre et sa fluidité. En général, les particules lisses et de forme régulière s’écoulent plus facilement et ont tendance à se compacter efficacement, créant un lit de poudre plus dense que celles dont la surface est rugueuse et/ou de forme irrégulière. Les surfaces plus rugueuses créent plus de friction entre les particules, ce qui limite les propriétés d’écoulement. Les particules de forme irrégulière sont quant à elles plus enclines à l’emboîtement mécanique qui, en plus de limiter l’écoulement, entraîne une efficacité de compactage de la poudre plus faible.
Les particules avec des satellites représentent souvent un problème dans l’utilisation des poudres métalliques, car la présence de satellites influence également la fluidité de la poudre et sa capacité à être compactée.
Figure 2. Classification des particules basée sur les paramètres morphologiques pour la caractérisation et la comparaison des poudres recyclées (18 cycles de production additive en vert et 24 cycles en bleu) et de la poudre vierge (en rouge).
Figure 3. Graphique de stabilité et de débit variable obtenu à partir de l’analyse rhéologique de trois lots de poudres métalliques fournies par différents fabricants, pour la caractérisation de leur capacité d’écoulement.
Réutilisation de la poudre métallique
À la fin de chaque cycle de production additive, les poudres non fondues peuvent être réutilisées au cours du cycle suivant. Toutefois, il faut garder à l’esprit qu’une réutilisation excessive des poudres peut entraîner une détérioration de leurs caractéristiques morphologiques, ce qui en diminue la qualité. C’est pourquoi la caractérisation des poudres est fondamentale pour étudier les changements qu’elles ont subis après leur utilisation et pour vérifier que les nouvelles caractéristiques sont toujours compatibles avec un cycle ultérieur. La réutilisation des poudres implique l’ajout de poudre vierge au mélange dans des proportions déterminées par les caractéristiques des poudres recyclées, en termes d’oxydation de surface et de morphologie.
La poudre recyclée présente des particules plus allongées, plus de satellites en surface et plus d’agglomérats avec un pourcentage plus élevé d’oxydes de surface qui peuvent compromettre la qualité du cycle successif. Les poudres doivent donc être reconditionnées avant d’être réutilisées. La récupération des poudres implique généralement un tamisage de la poudre avant sa réutilisation afin d’éliminer les contaminants tels que les grosses particules et les agglomérats. Ce traitement ne garantit cependant pas un contrôle précis de la taille des particules en raison des limites du tamisage. Une analyse morphologique, en termes de taille et de forme des particules, est donc essentielle pour garantir la qualité de la poudre.
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