Newsletter N°5 - Clad, une nouvelle façon de voir la fabrication de pièces métalliques

La lime à épaissir existe ! C'est l'Irepa Laser, le centre technique dédié aux procédés laser, qui l'a inventé. Son nom : CLAD, pour Construction laser additive directe. Sur la dernière édition du salon Micronora, à Besançon, le centre réalisait par ce procédé un peu magique des petits papillons en ajoutant du métal à une petite base circulaire, devant des visiteurs plus que surpris.

Le principe est très simple. « Il s'agit de déposer des couches successives de métal en fusion sur un substrat pour générer un profil en trois dimensions », explique Didier Boisselier, responsable technique du centre alsacien. Pour cela, l'Irépa utilise une buse spéciale, constituée de plusieurs cônes coaxiaux, dans laquelle sont injectées de fines particules de métal, transportées par un gaz. Le laser, un petit modèle de 200 Watts (un laser fibre) traverse un système optique puis traverse la buse. Il fond alors la poudre et échauffe le matériau, provoquant la fusion des deux matières en jeu. Il « suffit » de diriger la buse de façon adéquate et, bien sûr, d'ajuster certains paramètres afin de maîtriser le taux de dépôt et la dilution de métal dans le gaz, pour accumuler des couches homogènes et créer des murs, des volumes, des profils... bref obtenir une pièce métallique en trois dimensions.

Une parenté directe avec le rechargement métallique

Le rayon laser traverse la buse et fond la poudre injectée, qui arrive sur la pièce à l'état fonduCe procédé très particulier trouve son origine dans les années 80, avec les recherches de l'Irepa Laser sur le rechargement laser, autrement dit la dépose localisée de métal sur une pièce, afin de lui apporter de nouvelles propriétés de surface. « En 1995, nous avons breveté une buse de projection de poudre métallique fondue par un laser », raconte Didier Boisselier. Cette buse est désormais utilisée dans l'industrie, notamment par des sous-traitants de Caterpillar pour la réparation d'axes montés sur des machines de TP.

La seconde étape a démarré en 2003, avec le lancement du projet européen Ramati (Rapid manufacturing Of Titanium implants). La mission d'Irépa au sein du projet consistait à construire de petits éléments métalliques pour réaliser des prothèses dentaires. « Les implants sont des pièces unitaires. Il fallait donc utiliser un procédé rapide et aboutissant à la pièce en une seule étape », raconte le responsable technique. Avec l'aide d'un thésard, le centre s'est donc lancé dans le développement d'une nouvelle buse en partant de son modèle breveté. Objectif : « minimiser le diamètre du jet de poudre pour réduire les dimensions du dépôt de poudre », explique Didier Boisselier. Avec une contrainte forte : « conserver le rendement [quantité de poudre déposée/quantité de poudre injectée, Ndlr] élevé de la buse de rechargement, qui atteignait près de 90% », poursuit-il. Ceci a notamment imposé au centre de développer son propre doseur de poudre (des poudres sphéroïdales de 45 à 75 microns de diamètre couramment utilisées dans les procédés de projection), capable d'assurer des débits de 100 mg à 1g par minute.

Autre développement nécessaire et critique, le logiciel, afin d'être en mesure de programmer les trajectoires de la tête pour obtenir des formes complexes et des surfaces gauches. L'Irépa a sous-traité cette partie à Delcam, spécialisé notamment dans la CFAO dédiée à l'enlèvement de copeaux. « Ils ont intégré les contraintes de notre procédé dans une couche logicielle baptisée PowerCLAD, qui pilote leurs logiciels classiques PowerShape et PowerMill », explique Didier Boisselier. La version bêta est en cours d'utilisation, à la hauteur des espérances du centre.programmation de la fabrication du papillon avec PowerCLAD

détail de l'aile du papillon

Prêt pour l'industrialisation

« Nous travaillons encore sur le procédé mais il est arrivé à un stade de développement très avancé », déclare Didier Boisselier. L'Irepa Laser n'a d'ailleurs pas développé un procédé, mais deux, visant des échelles différentes : le Mésoclad qui dépose des « fils » de matière de 0,6 mm de largeur et de 0,15 à 0,2 mm d'épaisseur, et le Macroclad, plus gros, qui dépose entre 0,5 et 1 mm de matière sur une largeur de 1mm à 5 mm. Le premier est destiné à réaliser directement des pièces aux cotes finales, le second à déposer une « ébauche » de matière, réusinée ensuite par une machine-outil.

L'objectif de rendement fixé par le centre est également rempli. Il atteint 40% pour le mésoCLAD et 90% pour le macroCLAD. Autre avantage, en particulier pour le mésoCLAD, l'encombrement mini. L'emploi d'un laser de faible puissance permet en effet d'intégrer la source et la distribution de poudre à la machine sur laquelle est montée la tête. Dans l'atelier du centre, l'ensemble est monté sur une petite fraiseuse Isel à moteur linéaire de moins de deux mètres carrés au sol et de moins de deux mètres de haut.

Les limites du procédé ? « La tête doit rester proche de la verticale pour préserver la symétrie du jet de poudre », explique Didier Boisselier. Ceci n'autorise que des dépouilles de ±10°. Mais le centre a trouvé la parade: incliner la pièce de manière à générer des dépouilles beaucoup plus importantes. La gestion de cette inclinaison progressive est d'ailleurs au coeur du logiciel développé par Delcam. CLAD ne permet en outre pas d'obtenir des volumes fermés à cause de l'encombrement de la buse (elle est positionnée à 3 mm du dépôt), contrairement au frittage d'un lit de poudre de type SLM (Selective laser melting). Il est également moins précis que cette technique, qui génère des couches de quelques dizaines de micron et les pièces réalisées présentent une rugosité de surface plus importante.

Des avantages face au frittage et à l'usinage

turbine réalisée par CLAD à partir d'un tube de 80 mm de diamètreEn revanche, CLAD est plus rapide que le SLM. Contrairement à ce dernier, il n'est en outre pas limité par la taille de la pièce et peut rajouter des formes sur une pièce existante. De plus, « il est plus économique car il ne consomme que la quantité de poudre dont on a besoin, au rendement près », explique le responsable technique de l'Irepa Laser. Mais c'est surtout face à des procédés d'usinage dans la masse que CLAD peut présenter un grand avantage. Pour la réalisation de tubulures de formes particulières impossibles à réaliser autrement, par exemple, ou de pièces aéronautiques usinées à près de 95% dans des tôles fortes. CLAD permet en effet au contraire de partir d'une tôle fine à laquelle on ajoute des renforts.

Pour s'en convaincre, l'Irépa a réalisé un test comparatif sur la réalisation d'une hélice à trois pales de 80 mm de diamètre à la base et 125 mm au sommet. « La génération des pales par CLAD sur un tube de diamètre 80 dure 5 minutes par pale. Ensuite, 30 minutes de réusinage sont nécessaires, soit un temps total de 45 minutes, pour un coût estimé à 137 euros par pièces (pour une série de 100), commente Didier Boisselier. L'usinage de la pièce à partir d'une barre de 120 mm de diamètre dure quant à lui 3,5 heures et coûte 326 euros par pièce ». Cela devrait faire réfléchir ceux qui usinent des matériaux haut de gamme...

étude économique relative à la turbine test (source Irépa)

Des possibilités nouvelles

pièce aéronautiqueLes possibilités de ce nouveau procédé vont au-delà encore. Il trouvera notamment sa place pour des travaux de personnalisation de pièces, mais aussi lorsqu'il faudra travailler sur des multimatériaux, voire assurer la variation continue d'une matière à une autre sur une pièce afin d'en localiser les propriétés mécaniques. Ne reste qu'une seule limite potentielle : « Il faut que le matériau supporte le processus complet », commente Didier Boisselier. Pour l'heure, lors de tests « industriels », l'Irépa a vérifié son efficacité sur les inox, des alliages de titane (à condition de dispose d'une protection gazeuse), des bases cuivre et des bases Nickel ; des matériaux déjà utilisés en rechargement laser. Et dans quelques jours, des tests démarreront à l'Irépa sur des matières précieuses...

Jean-Sébastien SCANDELLA