Les alliages avancés et la fabrication additive Gheorghe...
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►ISO 9001:2008 / ISO 17025:2005
Les alliages avancés et la fabrication additive
Gheorghe Marin, ing.Directeur général du CMQ
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►www.cmqtr.qc.ca
Le CMQ fait parti du réseau des centres collégiaux de transfert detechnologie (CCTT). Les CCTT regroupent plus de 1000 experts.
Présentation du centre
2
CMQ = 29 ans au service des entreprises
CMQ = une équipe
chevronnée
CMQ = la force d’une réseau
• Intégré au cégep de Trois-Rivières depuis 1985;• Serve plus de 150 entreprises annuellement;• Offre technologique unique au Québec et au
Canada.
• Plus de 25 personne ( Ph.D., doctorants, ingénieurs, professeurs, techniciens, opérateurs, secrétaire);
• Reconnu pour la qualité des publications scientifique et techniques
Membre du REGAL, CRIAQ, CRITM, ADRIQ, FCCQ, TRANSAL, TRANSTECH, CQRDA, GIAQ, Pôle Transport, AFT, AFS, ITA…
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►www.cmqtr.qc.ca
Le seul centre collégial de transfert de technologie dédié entièrement
au secteur métallurgique:
Présentation du centre
3
• Devenir la référence en transfert technologique ainsi qu’en recherche et développement, afin de favoriser l’essor et la compétitivité de l’industrie métallurgique tout en accompagnant l’enseignement professionnel au collégial.
mission
• Innover
• Développer
• Partager
valeurs
• Assurer un environnement créatif favorable à la croissance des entreprises métallurgiques, tout en investissant dans la technologie et le personnel. vision
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►www.cmqtr.qc.ca
Selon l’ASTM, la fabrication additive est un « procédé qui
permet d’assembler des matériaux à partir de modèles 3D,
habituellement couche après couche et ceci en opposition avec
la fabrication soustractive, telle que l’usinage et le
découpage ».
Fabrication additive
4
CADMachine
de FAPiècefinale
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►www.cmqtr.qc.ca
Selon l’ASTM, la fabrication additive est un « procédé qui
permet d’assembler des matériaux à partir de modèles 3D,
habituellement couche après couche et ceci en opposition avec
la fabrication soustractive, telle que l’usinage et le
découpage ».
Au CMQ:
• Fabrication additive au laser par projection de poudre;
• Fabrication additive par soudage par ultrasons;
• Soudage à froid – Cold Metal Transfer (CMT);
• Fabrication additive par métallurgie des poudres;
• Modélisation par dépôt fusionné;
• Moulage de précision.
Fabrication additive
5
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Étapes du procédé
1. Dessin CAD de la pièce;
2. Application d’un lit de poudre dans la machine;
3. Passage du faisceau laser pour faire fondre une partie des
poudres et obtenir une couche métallique dense;
4. Descente la pièce et nouvelle application de poudre;
5. Répétition des étapes 3 et 4 jusqu’à l’obtention d’une pièce
complète.
Fabrication additive au laser avec lit de poudre (PBLAM)
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• Procédé qui possède plusieurs acronymes: DMLS (Direct metal laser sintering),
SLS (Selective laser sintering), DMLM (Direct metal laser melting), etc. ;
• Permet de créer des pièces de forme complexe avec un fini de surface
relativement bon;
• Technologie disponible à l’ÉTS et prochainement au CRIQ.
• Partenariat entre le CRIQ et le CMQ pour le développement des technologies
de fabrication additive (Plateforme de Recherche sur l’Impression Multi
Épaisseurs – PRIME).
Fabrication additive au laser avec lit de poudre (PBLAM)
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• Fabrication de pièces à l’aide d’un faisceau de laser dans lequel
est projeté de la poudre métallique;
• Optomec est le seul fournisseur de système complet (LENS);
• D’autres compagnies fournissent des têtes de projection qui
doivent être fixées sur un robot automatisé.
• Technologie disponible seulement au CMQ.
Fabrication additive au laser par projection de poudre (PFLAM)
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Procédé qui permet:
• Réparation de pièces;
• Élaboration de composition
variable en fonction de la position
dans la pièce;
• Développement d’alliages;
• Recouvrements métalliques,
céramiques ou en verre métallique;
• Géométrie de pièces moins
complexes que le PBLAM.
Fabrication additive au laser par projection de poudre (PFLAM)
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Procédé qui permet:
• La fabrication de pièces en acier à outils ayant une composition
de surface permettant de conférer une excellente réponse à la
nitruration alors que la composition à l’intérieur de la pièce
permettra d’augmenter la résistance à chaud;
• la construction de pièces d’aluminium résistant mieux à l’usure en
surface alors que le centre présente une proportion d’éléments
d’alliage moins élevée au centre;
• d’obtenir des taux de refroidissement supérieurs à 1000 K/s, ce
qui permet de fabriquer des verres métalliques. Les verres
métalliques possèdent des résistances très élevées, des duretés
élevées et des modules de Young plus faibles (intéressants pour
les applications de ressorts).
Fabrication additive au laser par projection de poudre (PFLAM)
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•Matériaux utilisés dans le procédé LENS
Fabrication additive au laser par projection de poudre (PFLAM)
11
Famille d’alliage Alliages Famille d’alliage Alliages
Titane Ti CP Aciers à outils H13, S7
Ti 6-4 A2
Ti 2-4-2 Aciers inoxydable 13-8, 17-4
Ti 6-2-4-6 304, 316
Ti 48-2-2 410, 420
Ti-22Al-23Nb 15-5PH
Nickel IN625 AM355
IN718 309, 416
Waspalloy Aluminium 4047
Rene 41 Cobalt Stellite 6, 21
IN690 Carbide Ni-WC
Hastelloy X Co-WC
MarM247 Copper GRCop-84
Rene 142 Cu-Ni
Céramique Alumine Réfractaire W, Mo, Nb
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Fabrication additive au laser par projection de poudre (PFLAM)
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Lors de la fabrication additive de soudage par ultrasons, des
lamelles de métal sont soudées à la couche sous-jacente à
l’aide d’ultrasons. Les vibrations induites par les ultrasons
permettent l’ancrage mécanique de la lamelle et du substrat.
Technologie disponible au CMQ.
Fabrication additive par soudage par ultrasons (UAM)
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•Fabrication additive de pièces à
l’aide de rubans métalliques
•Soudage de métaux dissimilaires
(Soudage à l’état solide; pas de
formation de phases fragiles)
(Al-Cu, Al-Ti, Cu-Fe)
Fabrication additive par soudage par ultrasons (UAM)
14
SiC
Cu
Al
•Possibilité de bâtir en incluant des sections vides non
débouchantes sans assemblage.
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•Procédé de fabrication
additive qui permet de
produire des pièces par la
procédé de métallurgie des
poudres ainsi que des pièces
en sable pour la production
de noyaux.
Fabrication additive par métallurgie des poudres(M-Flex de ExOne)
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•Presse uniaxiale pour la consolidation des
poudres
•Presse isostatique à chaud
•Four de frittage sous vide
Installations de métallurgie des poudres
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•Procédé qui permet de faire du recouvrement avec de
faibles dilutions (cladding) et permet aussi de déposer des
tiges servant d’ancrage pour des recouvrements de
polymères (CMT Pin).
Soudage à froid – Cold Metal Transfer (CMT)
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•Procédé qui permet de
souder des tôles minces.
•Meilleures capacité à
combler des jeux.
•Soudage aluminium sur
acier galvanisé.
Soudage à froid – Cold Metal Transfer (CMT)
18
* Source photos: Brochure publicitaires CMT Fronius
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•Comme le DMLS, la fusion par
faisceau d’électrons utilise un lit de
poudre;
•Un faisceau d’électrons est utilisé
au lieu d’un laser pour faire fondre
la poudre;
•Permet de créer des pièces de
forme complexe;
•Arcam est l’unique fabricant de
machine de fusion par faisceau
d’électrons
Fusion par faisceau d’électrons (EBM)
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•Contrairement aux procédés présentés
plus haut, la stéréolithographie permet de
fabriquer des pièces en polymères;
•Fonctionnement similaire à la fabrication
additive au laser par lit de poudre;
•Un faisceau de lumière ultraviolette passe
au travers de monomères qu’il polymérise
localement.;
•Permet de faire des formes complexes;
•Gamme de produits et de prix très variés:
imprimantes personnelles ~2000 $ aux
imprimantes industrielles à 150 000 $
Stéréolithographie (SLA)
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•Comme la stéréolithographie, la modélisation par dépôt fusionné
permet de fabriquer des pièces en polymères;
•Cependant, les polymères sont thermoplastiques, comme la cire,
au lieu de thermodurcissable pour la stéréolithographie;
•Un filament est fondu et déposé pour former la pièce;
•Ces pièces servent de modèles pour le moulage par cire perdue;
Modélisation par dépôt fusionné (FDM)
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Four CONSARC
o 250 kW
o 5 Kg (titane) coulé
o Vide 10 -4 mm Hg
o cycle 6 coulées / h
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme des alliages de titane et zircone sous vide)
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►www.cmqtr.qc.ca
Pendant la fusion le
métal lévite sous l’effet
du champ électrique à
haute fréquence.
Le champ est coupé un
court instant lors de la
coulée
Il en résulte la formation
d’un coquille (skull)
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme des alliages de titane et zircone sous vide)
23
http://www.spaceflight.esa.
Raccourci vers skull.JPG.lnk
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►www.cmqtr.qc.ca
Type de moulage:
o Cire perdue
• Couches primaire et secondaire:
Zircone (ZrO2) stabilisé au CaO, Alumine (Al2O3) et d’un liant
Zirconium ammonium carbonate.
• Couche ternaire:
Silice colloïdale avec Alumino-Silicate.
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme des alliages de titane et zircone sous vide)
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Injection de cire
o Modèle en cire
Montage
o Grappe
Enrobage (couches successives)
o Grappe
Decirage
o Moule
Coulée
o Pièces
Coupage des attaques
Meulage
Finition et mesures dim.
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme des alliages de titane et zircone sous vide)
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Alliages avancés:
o Alliages de titane (Ti CP, Ti-6Al-4V, Nitinol)
o Alliages de zirconium (702, 705)
o Superalliages de nickel (Inconel, Hastelloy)
o Aciers Inoxydables
o Aciers alliés (aciers au manganèse, aciers outils)
o Aluminures de titane (Al3Ti, AlTi, AlTi3)
o Aluminures de nickel (Al3Ni, AlNi3)
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme
des alliages de titane et zircone sous vide)
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Alliages Titane, Zirconium
o Alliages très réactifs
• Solubilité oxygène (Zr – 8,6% ; Ti – 13,5%)
• Couche alpha:
Durcissement structural par solution
solide interstitiel (C et O)
o Usinage mécanique ou chimique
• 15 - 30% Acide Nitrique (HNO3)
• 3 - 5% Acide Fluorhydrique (HF)
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme des alliages de titane et zircone sous vide)
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o Le CMQ a aussi développé
les procédures de soudage
pour :
• Les alliages de nickel;
• Les alliages de titane;
• Les alliages de
zirconium.
o Dans certains cas, après le
développement des
paramètres de compactage
isostatique à chaud.
Moulage en cire perdue (Fusion et mise en forme des alliages de titane et zircone sous vide)
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Le Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL est un regroupement stratégique qui
s’intéresse aux travaux de recherche autour du matériau aluminium, de sa production primaire au
développement de procédés de mise en forme et de design jusqu’à la conception de nouveaux
alliages. (chercheurs de: l’Université Laval, l’Université McGill, l’École Polytechnique,
l’Université de Sherbrooke, l’ETS et l’UCAQ et Collège de Trois-Rivières)
Collaboration avec REGAL
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Pour nous joindre To contact us :3095, rue WestinghouseParc industriel des Hautes-ForgesTrois-Rivières (Québec) G9A 5E1www.cmqtr.qc.ca | 819 376-8707
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