Le CEA-List développe des méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) pour l’inspection de pièces issues de la fabrication additive. Il a, en particulier, mis au point un procédé pour effectuer l’examen interne de pièces de très grandes dimensions par ondes ultrasonores. La technique a permis de valider la conformité d’hélices de navire du fabricant Ramlab.
La fabrication additive métallique consiste à réaliser les pièces par empilement de couches ou de cordons d’alliages de métaux fondus à très haute température. C’est un procédé de fabrication innovant qui répond, en particulier, au besoin de production de petites ou très petites séries (pièces de rechange, pièces pour l’aéronautique, le maritime ou encore le spatial) ou de pièces à géométrie complexe (par exemple des moules).
Nouveaux, les matériaux issus de ce procédé sont encore méconnus du point de vue de leurs caractéristiques cristallographiques et de leurs propriétés physiques et chimiques. En outre, ils sont susceptibles de présenter des micro-défauts internes (inclusions, fissures, porosités, etc.) qu’il est nécessaire de détecter pour garantir la santé matière de la pièce fabriquée.
Un frein à l’essor de la fabrication additive est l’absence de méthodes d’inspection permettant de certifier un procédé et de valider la conformité des pièces en sortie de fabrication et tout au long de leur cycle de vie.
Expert en Contrôle Non Destructif (CND), le CEA-List étudie l’application des techniques usuelles d’inspection CND (ultrasons, ultrasons laser, radiographie et tomographie par rayons X, radiographie gamma, courants de Foucault, etc.) aux pièces fabriquées par le procédé additif. L’objectif est de développer des méthodes permettant de mener des inspections internes et externes, quels que soient les dimensions de la pièce et le procédé de fabrication additive employé.
Les examens surfaciques ou sub-surfaciques de pièces métalliques peuvent s’effectuer en employant des techniques électromagnétiques (courants de Foucault). Pour les examens de pièces complexes, la tomographie X est une technique de référence. Elle permet de révéler les structures internes (défauts, canaux internes) et externes (métrologie) d’une pièce avec une très bonne précision dès lors que les dimensions (et l’épaisseur totale de matière à traverser) et densité du ou des matériaux restent compatibles avec des énergies de tomographes standard.
Pour les examens internes de pièces de grandes dimensions et massives (fortes épaisseurs), l’imagerie par ondes ultrasonores, qui pénètrent mieux la matière, est privilégiée. Dans ce cas, l’analyse s’effectue en immersion ou, si l’état de surface de la pièce le permet, en déplaçant une sonde directement sur la surface.
Pour valider la faisabilité de ses études d’inspection, le CEA-List procède à la mise au point des méthodes d’inspection à l’aide de simulations numériques réalisées avec le logiciel CIVA.
Au-delà de cet usage, les outils d’analyse du logiciel CIVA servent, par ailleurs, à traiter les données de mesure et à caractériser les défauts identifiés (dimensions, nature, etc.). La corrélation des caractéristiques des défauts observés avec les paramètres du procédé effectivement appliqués lors de la fabrication offre la possibilité de mieux maitriser le procédé. Dans une optique de certification, elle permet aussi de définir les plages de tolérance des paramètres du procédé garantissant la conformité de la pièce réalisée. Un objectif plus ambitieux encore consiste à suivre la santé de la pièce et les paramètres critiques du procédé afin de corriger en temps réel ces paramètres afin d’assurer une pièce exempte de défauts.
Fabrication additive métal :
Techniques de Contrôle Non Destructif :
Simulation CND multi-techniques avec CIVA
Installé dans le port de Rotterdam, Ramlab est spécialisé dans la fabrication additive pour l’industrie maritime. L’entreprise a fait appel au CEA-List pour démontrer la faisabilité de l’inspection d’une hélice issue de ce procédé, en vue de la certifier. L’hélice a été réalisée par le procédé WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing).
Pour répondre au besoin de son partenaire, le CEA-List a développé une méthode de contrôle par ultrasons, seule technique en mesure d’inspecter dans le volume des pièces de si grandes dimensions.
Après sa fabrication, l’hélice est minutieusement polie par usinage pour obtenir une pièce avec les dimensions et les propriétés hydrodynamiques requises. La bonne qualité de son état de surface permet d’effectuer l’examen par déplacement d’une sonde à sabot souple, spécialement conçue pour cela, directement sur la surface. La transmission des ondes ultrasonores dans le matériau s’en trouve optimisée, ce qui permet de mettre en œuvre des fréquences élevées (d’environ 10 MHz) et de produire des images avec la précision attendue. La méthode permet de distinguer des défauts de l’ordre du demi-millimètre.
Le déplacement du sabot sur la surface est entièrement automatisé et robotisé (robot 6 axes) afin d’assurer un examen complet de la pièce, malgré la complexité de sa forme.
L’utilisation du logiciel de simulation CIVA a permis d’optimiser la mise au point de la technique. Il a également servi au traitement des données de mesure en vue de caractériser les indications observées lors de l’inspection.
"CEA gave us new, valuable insights of the WAAMpeller with their novel technology for non destructive testing."
Le CEA-List est partie prenante de deux projets européens autour de la fabrication additive, ayant pour principaux objectifs de :
Le CEA-List est également impliqué dans des projets nationaux, ayant pour principaux objectifs de :