# Investigations sur le procédé SLS en vue d'applications dans le domaine des microtechnologies

Guillaume Vansteenkiste, Nathalie Boudeau, Thierry Barrière, Jean-Claude

Gelin, Christine Millot, Claude Roques-Carmes

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Guillaume Vansteenkiste, Nathalie Boudeau, Thierry Barrière, Jean-Claude Gelin, Christine Millot, et al.. Investigations sur le procédé SLS en vue d'applications dans le domaine des microtechnologies. 17e Congrès Français de Mécanique, 2005, Troyes, France. hal-00020716

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Submitted on 28 Apr 2023

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Investigations sur le procédé SLS en vue d'applications dans le
domaine des microtechnologies

G. Vansteenkiste<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, N. Boudeau<fnref n="1" />, T. Barrière<fnref n="1" />, J.C. Gelin<fnref n="1" />, C. Millot<fnref n="2" />, C. Roques Carmes<fnref n="2" />

Résumé :

Le SLS, le Frittage Sélective par Laser, est un procédé de fabrication par apports successifs de matière. Initialement développé pour le prototypage rapide, il est actuellement testé par de nombreux moulistes en vue de son intégration dans la chaîne de production des moules. Cette technologie est séduisante car elles permettrait de réduire les temps de mise en production des moules et de réaliser des systèmes de refroidissement du moule plus performants. Néanmoins de nombreux verrous technologiques restent à lever. Afin d'améliorer les précisions dimensionnelles et les états de surface, les caractéristiques mécaniques et la densité des composants ainsi élaborés, une machine prototype est développée au département LMARC de l'Institut FEMTO-ST. Dans cet article, on présente les choix technologiques faits lors de la conception du banc expérimental SLS, les méthodes employées pour le pilotage et le contrôle du déplacement du faisceau laser ainsi que les investigations menées quant au dépôt de fines couches de poudres de faible granulométrie.

Abstract :

SLS, Selective Laser Sintering, is an additive manufacturing process initially developed for the rapid prototyping. Mould makers are more and more interested in this technology for its integration in the mould production chain. The SLS is an attractive process because it would permit to decrease the time-to-market of moulded parts and to design more performing cooling systems for injection moulding. But still a lot of technological problems has to be solved. The dimensions precision, the surface quality, the mechanical strength and the porosity of components formed from SLS have to be performed. A SLS machine has been designed and built up in the Mechanical Department of FEMTO-ST Institute to investigate realistic solutions to the problems introduced just before. In this paper, the technical choices done in design, the methods used for the command and the control of the laser beam displacement and the investigations done to perform very thin layer of powders with very thin granulometry will be presented.

Mots clefs :

SLS ; poudre métallique ; micro technologie.

1 Introduction

Le balayage programmé d'un faisceau laser sur un lit de poudres permet la construction strate par strate d'une structure métallique ou céramique cohésive de forme quelconque. Le mécanisme de base de ce procédé est associé classiquement à un frittage induit par une phase liquide [1], qui assure la densification des matériaux. Les produits pulvérlents présentent de fait deux constituants dont un est plus fusible que l'autre. Les notions de mouillabilité et de viscosité du métal à plus bas point de fusion sont à la base du

<footnote n="1">¹Institut FEMTO-ST, Département LMARC, UMR CNRS 6174, Université de Franche-Comté-CNRS-ENSMM,
24 chemin de l'épitaphe
25000 BESANCON</footnote>

<footnote n="2">²Laboratoire de Microanalyse des Surfaces, ENSMM,
26 chemin de l'épitaphe
25000 BESANCON</footnote>
procédé de construction des structures élaborées en vue d'applications pratiques. Généralement, les appareillages conçus pour le procédé SLS utilisent un système de miroirs rotatifs, appelé tête scanner, pour positionner le spot sur le lit de poudres. Le faisceau est focalisé sur la surface de travail par une lentille à champ plat [2]. L'indexation du faisceau dans le plan Oxy de frittage est assuré par une électronique de commande. La construction couche par couche nécessite un système de positionnement en z de la poudre avec un recouvrement d'épaisseur constante du lit de poudre pour chaque valeur de z.

Afin d'élaborer des structures cohésives présentant de faibles rugosités associées à une moindre porosité, il a été envisagé de travailler sur des poudres de plus faibles dimensions que celles couramment utilisées dans cette technologie. Des poudres de diamètres inférieurs à 3 µm représentent l'objectif finalisé pour des applications microtechniques à mettre en œuvre avec différents industriels.

La machine prototype développée au département LMARC de l'Institut FEMTO-ST se différencie des modèles commerciaux par :

* une source laser Nd:Yag d'une puissance de 15 W avec un faisceau parfaitement gaussien et de grande qualité (Type TEM₀₀ et M² = 1,1) travaillant en mode continu, associée à un modulateur acousto-optique (τ_c = 11 ns).

* des déplacements du spot laser fondés sur des mouvements continus via la combinaison d'un miroir polygonal en rotation et d'une table en translation. Ainsi il est possible de contrôler en position avec une grande précision le spot laser par l'intermédiaire d'un programme de contrôle en temps réel. De plus, l'utilisation de mouvements continus permet d'éviter tout problème de vibration induit par des changements abrupts de vitesse des miroirs rotatifs.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>FIG. 1 – Schéma du banc SLS [3][4].</figcaption></figure>

## 2 Indexation du spot laser

Un schéma synoptique du prototype permettant le frittage SLS est présenté en figure 1. Pour optimiser l'indexation du spot laser sur le lit de poudre placé dans le plan focal de la lentille à champ plat, les parties mobiles du système optique sont commandées comme décrit ci-dessus.
La rotation du miroir hexagonal est assurée par un motoréducteur à courant continu dont la vitesse est appréhendée par un codeur circulaire positionné sur l'axe du moteur. La continuité du signal du codeur représente la première caractéristique à maîtriser. Cette vitesse est gérée par un asservissement PID via une carte électronique de commande. La gamme de variation de la vitesse linéaire du spot laser sur le lit de poudre est comprise entre 5 et 3500 mm/s.

De manière à obtenir une indexation suivant la direction de balayage du miroir (Oy) (figure 1) indépendante de la face de contact avec le laser, les variations de position du second codeur placé sur l'axe du réducteur ont été prises en compte ; elles ne varient pas dans le temps. Elles ont donc été mesurées et corrigées numériquement. Ces variations sont au plus de 700 µm, avec une période fréquentielle de l'ordre de 6 (figure 2) ; elles proviennent essentiellement d'une répartition inégale des 5000 positions du codeur sur les 6 faces du miroir hexagonal. A ces variations s'associent des erreurs plus faibles provenant d'un léger défaut de parallélisme entre les faces du miroir et le plan horizontal.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>FIG. 2 – Evolution de la position initiale pour chacune des 6 faces du miroir [6]</figcaption></figure>

Dans le but d'obtenir des précisions en position inférieure à 400 µm (distance sur le lit de poudre entre deux positions du codeur), une temporisation permet d'allumer ou d'éteindre le laser à tout moment situé entre deux marques du codeur circulaire. La temporisation est déterminée en fonction de la vitesse de rotation du miroir, une vitesse stable est nécessaire pour le bon positionnement de l'allumage et l'extinction du spot laser lors du balayage de la surface. L'influence de cette fonction de temporisation est présentée en figure 3.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>FIG. 3 – Contrôle de la position du laser avec le balayage d'un rectangle (échelle × 2)</figcaption></figure>

Le positionnement en x provenant du mouvement de la table de translation est assuré par un moteur continu combiné à un codeur linéaire de résolution spatiale égale à 40 mm. La vitesse est de l'ordre de 1 mm/s. Cette vitesse, plus faible que les vitesses du spot laser induites par la rotation du miroir hexagonal, ne nécessite pas un asservissement PID complet ; un correcteur proportionnel suffit. Prenant en compte le fait que les déplacements suivant les directions Ox et Oy sont simultanés, les consignes en déplacement sont imposées par un microcontrôleur qui régule la vitesse du miroir (et donc du spot du laser), celle du
déplacement de la table (soit la distance entre chaque passe du laser) et assure la commande d'allumage et d'extinction du laser via un modulateur acousto-optique en fonction de la position de son spot sur le lit de poudre.

Le déplacement en z est assuré par un moteur pas à pas d'incrément égal à 1 µm. Une électronique de commande permet d'imposer les variations d'altitude après chaque passage du laser. Pour ces variations, un nouveau lit de poudre recouvre par raclage automatique la structure initialement soumise à l'impact du laser.

## 3 Dépôt de produits pulvérulents de petite taille

L'utilisation de poudre fine granulométrie (diamètre < 10 µm) et leur étalement homogène nécessite quelques développements particuliers. Les procédés de dépôts utilisés dans les machines SLS commercialisées sont du type raclage : la poudre est placée en surépaisseur au niveau de la nouvelle couche et un racloir permet d'enlever l'excès du produit pulvérulent. Ce système atteint ses limites pour la création de fines couches de poudre (<50 µm). Les couches fines augmentent la probabilité que le racloir rigide touche par endroit une partie de la pièce déjà frittée. Il peut, à ce moment, la détruire en partie ou la déplacer dans le lit de poudre. Dans les deux cas, la pièce finale sera non conforme. Nous avons donc rechercher des systèmes de dépôts moins agressifs.

### 3.1 Dépôt en phase aqueuse

Dans un premier temps, le dépôt du produit pulvérulent est réalisé à partir de dispersions en phase aqueuse. L'apport de tensioactifs et d'additifs rhéologiques assure l'homogénéité dans toute la dispersion. Les couches sont créées soit par projection à l'aide d'un aérographe soit par étalement du fluide sous l'effet de force centrifuge [6]. Les résultats obtenus sont montrés en figure 3, cette technique permet la création de fines couches très denses (figure 4.a) et permet de compenser les défauts du support (figure 4.b). Cependant l'élimination systématique du film d'eau avant l'impact laser augmente le temps de fabrication du produit fini. En final, l'échantillon est maintenu à température constante.

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

a) Lit de poudres (316L, taille 3µm) dense obtenu par étalement d'une dispersion aqueuse

Surface du support

Couche de poudre

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

b) Profilométrie optique d'un étalement de poudres métalliques (316L) de taille 1 µm obtenue en phase aqueuse (épaisseur de la couche = 4 µm)

FIG. 4 – Fines couches de poudres obtenue par étalement de la dispersion aqueuse

### 3.2 Étalement par vibrations

De nouveaux procédés d'étalement en phase sèche ont été testés en complément. Ils consistent à prendre en compte l'avantage de se situer dans les petites tailles et donc de créer des couches sur une petite surface (dans notre cas une surface de l'ordre de 300 mm²). Le premier système consiste à écraser la poudre sur son support via une plaque en vibration. Le fait de faire vibrer la plaque de pression facilite l'écoulement des
produits granulaires, ainsi les excès de produits pulvérulents sont rejetés sur les extérieurs ouverts du socle (figure 5.a). Ce procédé permet de créer des strates de 30 µm d'épaisseur, avec des poudres de taille moyenne 20 µm. Cependant avec ce système la pièce est limitée en hauteur. Après l'élévation d'une dizaine de couches, la formation « d'angle de Talus » (θ = 32°) est préjudiciable.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>a) système de dépôt avec vibrations</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>b) système de dépôt avec outil « sabot »</figcaption></figure>

FIG. 5 – Schémas synoptiques des procédés utilisés pour le dépôt de couche en voie sèche

3.3 Etalement avec un sabot

Dans une perspective identique, un outil a été mis en place pour étaler la poudre. Cet outil (figure 5.b), que nous appellerons par la suite sabot, travaille comme un racleur : il crée une couche de poudres grâce à un mouvement d'aller et retour au-dessus des couches déjà frittées. Mais contrairement au racloir, il ne comporte aucune arête vive et il est usiné dans un métal mou, afin d'éviter la destruction de la partie de la pièce déjà frittée aussitôt qu'elle rentre en contact avec le sabot. La création d'une nouvelle couche est obtenue par un gradient de pression créé via la structure en forme de coin du sabot.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>FIG. 6 – Cube de dimension 3 mm obtenu par agglomération de 100 strates de poudre EOS d'épaisseur 30 µm</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>FIG. 7 – Carré de dimension 500 µm obtenu par l'institut laser allemand du centre de la Saxe avec une poudre de taille 1 µm [5]</figcaption></figure>
Ce système a montré son efficacité par la construction d'un cube de 3 mm de coté (figure 6), fritté à partir d'une poudre à base de cuivre de taille moyenne de 20 µm. Sa fabrication a nécessité 100 couches de 30 µm étalées à l'aide de l'outil sabot. Ce résultat est prometteur pour la suite du projet : l'utilisation d'une enceinte close et de poudres plus fines devrait nous amener à des résultats similaires à ceux obtenus par l'Institut Laser Allemand du Centre de la Saxe (figure 7) sans avoir recourt à un laser pulsé. Ces deux procédés de dépôts en phase solide permettent par compression un réarrangement du produit pulvérulent, qui améliore les conditions de frittage en réduisant au minimum les espaces vides dans le lit de poudre.

## 4 Conclusion

Les données de base associées à la mise en place d'un prototype assurant l'élaboration de pièces de forme simple ou complexe par frittage SLS sont présentées. Ceci ouvre des possibilités dans l'élaboration des pièces de petites tailles utilisables dans l'industrie des microtechniques via la sélection de poudres de taille micrométrique. Parmi les applications réalisables, il est possible de préciser par exemple la fabrication de micropoinçons de découpage et de micromoules d'injection. Ce travail s'inscrit dans une action concertée entre trois structures R&D avec l'implications de différents industriels français et suisses à ce projet.

## Remerciements

Ces travaux de recherche soutenus par la Communauté Européenne sont financés par le biais du programme Franco-Suisse INTERREG IIIA (n° opération 54/AJ/9.1/4). Les auteurs remercient leur partenaires industriels (Laser Cheval, Groupe S3i, Tenax SA et Pierre Bercher SA) et académiques (EPFL et l'Université de Berne).

## Références

[1] D. Bernache-Assollant, M. Soustelle, C. Monty, H. Pastor, J. M. Chaix : chimie-physique du frittage, FORCERAM formation Céramique, 1993.

[2] Rodenstock Präzisonoptik GmbH & Co. KG, Rodenstock Präzisonoptik introduces new F-Theta lenses, A Linos Company, Press Office, München, Germany, March 2002.

[3] H. Leclerc, N. Boudeau, J.C. Gelin, Investigations on selective laser sintering process for manufacturing microparts, in proceedings of the LANE 2001, Laser Assisted Net Shape Engineering 3, August 23-31, 2001, Erlangen, Germany, 407-410.

[4] H. Leclerc, K. Djioua, N. Boudeau, J.C. Gelin : Micromanufacturing with laser sintering – a scaled-up process, International Journal of Forming Processes, Vol.7, N°1-2, 2004.

[5] P. Regenfuß, R. Ebert, S. Klötzer, L. Hartwig, H. Exner, Th. Brabant, T. Petsch, Industrial Laser Micro Sintering, in proceedings of the LANE 2004, Laser Assisted Net Shape Engineering 4, August, 2004, Erlangen, Germany, 413-424.

[6] G. Vansteenkiste, N. Boudeau, H. Leclerc, T. Barrière, J.C. Gélin, C. Roques Carmes, C. Millot, C. Benoit, E. Boillat, Investigations in Direct Tooling for Micro-Technology with SLS, in proceedings of the LANE 2004, Laser Assisted Net Shape Engineering 4, August, 2004, Erlangen, Germany, 425-434.