La camera surveille le processus de fabrication additive

Les systèmes de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) utilisent de plus en plus la surveillance in situ pour améliorer la stabilité des procédés et réduire les taux de défauts dans la fabrication additive métallique. La détection des défauts sous la surface pendant l’impression reste toutefois complexe, car de nombreuses anomalies apparaissent sous la couche active et ne peuvent pas être identifiées par une inspection optique conventionnelle. Dans ce contexte, Allied Vision rapporte que des chercheurs de KU Leuven ont utilisé la caméra haute vitesse de la gamme EoSens 3CL pour corréler des signatures de procédé en temps réel avec la porosité interne de pièces produites par LPBF.

Le comportement des projections et l’intégrité des pièces
Le procédé LPBF utilise un laser haute puissance pour fondre et fusionner sélectivement de la poudre métallique couche par couche. Cette technologie permet de produire des composants métalliques complexes pour les secteurs de l’aéronautique, du médical, de l’automobile et de l’industrie. Cependant, de nombreux défauts se forment sous la couche active et restent difficiles à détecter pendant l’impression.

L’une des principales sources de ces défauts provient des projections de matière issues du bain de fusion pendant l’interaction laser-matière. Les gouttelettes métalliques éjectées peuvent s’oxyder durant leur trajectoire avant de retomber sur le lit de poudre, entraînant des inclusions, des irrégularités d’épaisseur de couche, des variations de rugosité de surface, des incohérences microstructurales et une porosité induite par le procédé.

Comme le nombre, la vitesse et la direction des projections peuvent être mesurés optiquement, ces paramètres sont de plus en plus utilisés comme indicateurs physiques dans les systèmes de surveillance de fabrication additive.

Imagerie haute vitesse à 20 000 images par seconde
L’équipe de KU Leuven a monté la caméra EoSens 3CL selon un angle de 25 degrés par rapport à la plaque de fabrication, sans modifier l’optique de la machine LPBF ni le trajet du laser. Avec un temps d’exposition de 30 microsecondes et un filtre passe-bas à 975 nm, le système a capturé les émissions dans une plage spectrale visible à proche infrarouge comprise entre 350 et 975 nm lors d’essais de fusion monocordon sur acier inoxydable 316L.

Fonctionnant à 20 000 images par seconde, la caméra enregistrait un champ de vision de 12 mm × 12 mm avec une résolution d’environ 100 micromètres par pixel, permettant d’analyser les événements de projection image par image.

Les chercheurs ont extrait cinq indicateurs de procédé à partir des données d’imagerie : le rapport longueur-largeur de la zone de procédé, la surface de la zone de procédé, l’intensité moyenne de la zone de procédé, la vitesse des projections et leur nombre. Les vitesses mesurées des gouttelettes variaient entre 0,4 m/s et 7,8 m/s selon les paramètres de puissance laser et de vitesse de balayage.

La vitesse de balayage liée aux instabilités du procédé
L’étude a identifié la vitesse de balayage comme un facteur majeur d’instabilité du procédé. Les plus grandes surfaces de zone de procédé et les rapports d’aspect les plus élevés ont été observés dans des conditions d’instabilité de Plateau-Rayleigh associées à des combinaisons de forte puissance laser et de vitesses de balayage élevées.

L’interface Camera Link de la caméra a été intégrée à un système d’acquisition modulaire au format PXI de NI synchronisé avec les données du contrôleur MCP à 100 kHz. Cette configuration a permis un alignement temporel des données optiques et des paramètres machine à l’échelle de chaque image, même à des vitesses de production industrielles.

Le système de surveillance fonctionnait sans modification physique de la machine LPBF, ce qui rend l’approche de détection indépendante de la plateforme et non invasive pour les environnements de fabrication additive industrielle.

Une surveillance en temps réel liée à la porosité interne
L’étude a établi une corrélation directe entre le nombre de projections détectées en temps réel et le nombre de porosités de type keyhole mesurées ultérieurement par tomographie à rayons X (X-CT). Les résultats montrent que des signatures optiques observées en surface peuvent être utilisées pour prédire des défauts volumétriques internes sans inspection directe de la pièce imprimée.

Les mesures de topographie de surface ont confirmé l’analyse des projections dérivée de la caméra grâce à des techniques de corrélation croisée par appariement de motifs. Par ailleurs, un modèle par éléments finis a permis de prédire avec précision la géométrie du bain de fusion pour plusieurs jeux de paramètres.

Ces résultats soutiennent le développement de systèmes LPBF en boucle fermée combinant détection optique haute vitesse et ajustement automatisé des procédés. De tels systèmes deviennent de plus en plus importants dans les flux de fabrication numérique visant à réduire les rebuts, améliorer la répétabilité et limiter les besoins d’inspection après fabrication.

Publié avec l’assistance de l’IA par Aishwarya Mambet, rédactrice chez Induportals.

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