# Développement de l'outil de contrôle in-situ par Courants de Foucault de pièces en cours de Fabrication pour la technique L-PBF

Romain Saddoud, Kévyn Perlin, Michel Pellat, Natalia Sergeeva-Chollet

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## To cite this version:

Romain Saddoud, Kévyn Perlin, Michel Pellat, Natalia Sergeeva-Chollet. Développement de l'outil de contrôle in-situ par Courants de Foucault de pièces en cours de Fabrication pour la technique L-PBF. Journées COFREND 2023, Jun 2023, Marseille, France. 28459 (6 p.), 10.58286/28459. hal-04559055

HAL Id: hal-04559055

https://hal.science/hal-04559055

Submitted on 25 Apr 2024

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Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
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# Développement de l'outil de contrôle in-situ par courants de Foucault de pièces en cours de fabrication par la technique L-PBF

Romain SADDOUD, Kévyn PERLIN, Michel PELLAT, Natalia SERGEEVA-CHOLLET

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Université Paris-Saclay, CEA LIST, F-91120, Palaiseau

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Université Grenoble Alpes, DTNM, CEA LITEN, F-38000, Grenoble
<figure><img src="image_3.png" /></figure>

# Développement de l'outil de contrôle in-situ par courants de Foucault de pièces en cours de fabrication par la technique L-PBF

Romain SADDOUD, Kévyn PERLIN, Michel PELLAT, Natalia SERGEEVA-CHOLLET

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

Université Paris-Saclay, CEA LIST, F-91120, Palaiseau

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

Université Grenoble Alpes, DTNM, CEA LITEN, F-38000, Grenoble
# SOMMAIRE

## 1. INTRODUCTION

- Présentation du contexte (besoins, objectifs)

## 2. DÉVELOPPEMENT D'UN OUTIL DE CONTRÔLE

- Choix du capteur

- Montage et dispositif expérimental

- Description de la CAO de la pièce

## 3. ESSAIS RÉALISÉS

- Discussion des résultats expérimentaux

- Développement capteur multiéléments

## 4. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

<figure><img src="image_4.png" /></figure>
# SOMMAIRE

## 1. INTRODUCTION

- Présentation du contexte (besoins, objectifs)

## 2. DÉVELOPPEMENT D'UN OUTIL DE CONTRÔLE

- Choix du capteur

- Montage et dispositif expérimental

- Description de la CAO de la pièce

## 3. ESSAIS RÉALISÉS

- Discussion des résultats expérimentaux

- Développement capteur multiéléments

## 4. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

<figure><img src="image_6.png" /></figure>
# Contexte – Principe L-PBF

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

1. Dépôt de la 1ère couche

2. Fusion de la poudre sélectionnée

3. Nouvelle couche déposée

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

<figure><img src="image_7.png" /></figure>
<figure><img src="image_7.png" /></figure>

# Contexte – Principe L-PBF

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

<figure><img src="image_11.png" /></figure>
# Contexte

## Besoins :

- Surveillance du processus, contrôle des pièces en cours de fabrication

- Détection des défauts

- Analyse de la porosité

## Objectifs :

- Développement d'une méthode de contrôle en ligne des zones fusionnées

- Amélioration de la compréhension des phénomènes et de la qualité des pièces

## But :

- Développement et réalisation des sondes adaptées pour le contrôle des pièces en cours de fabrication

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>
# Contexte

## Besoins :

- Surveillance du processus, contrôle des pièces en cours de fabrication

- Détection des défauts

- Analyse de la porosité

## Objectifs :

- Développement d'une méthode de contrôle en ligne des zones fusionnées

- Amélioration de la compréhension des phénomènes et de la qualité des pièces

## But :

- Développement et réalisation des sondes adaptées pour le contrôle des pièces en cours de fabrication

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
# Etude du capteur courants de Foucault

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

## Caractéristique du capteur courants de Foucault :

- 1 élément = 2 bobines

- Mode émission/réception séparé

- Ø=3mm avec recouvrement

- Capteur gravé sur PCB

- Fréquence de travail : 1MHz

- Tension : 8V

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

À cette fréquence: étude de quelques couches supérieures déposées

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Bobine réceptrice</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Bobine émettrice</figcaption></figure>

CIVA
N·D≡

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

<figure><img src="image_16.png" /></figure>
# Etude du capteur courants de Foucault

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

## Caractéristique du capteur courants de Foucault :

- 1 élément = 2 bobines

- Mode émission/réception séparé

- Ø=3mm avec recouvrement

- Capteur gravé sur PCB

- Fréquence de travail : 1MHz

- Tension : 8V

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

À cette fréquence: étude de quelques couches supérieures déposées

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Bobine réceptrice</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Bobine émettrice</figcaption></figure>

CIVA
N·D≡

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

<figure><img src="image_20.png" /></figure>
# Montage et dispositif expérimental

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Fixation capteur au support mécanique</figcaption></figure>

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Support d'étanchéité</figcaption></figure>

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

* Machine L-PBF Farsoon FS271 M

* Poudre AlSi7Mg fournie par Toyal FS271

* Paramètres principaux du processus : puissance du laser = 200 W, vitesse de balayage = 1000 mm/s, pas = 0,17 µm, épaisseur de couche = 30 µm
# Montage et dispositif expérimental

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

Fixation capteur au support mécanique

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

Support d'étanchéité

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

* Machine L-PBF Farsoon FS271 M

* Poudre AlSi7Mg fournie par Toyal FS271

* Paramètres principaux du processus : puissance du laser = 200 W, vitesse de balayage = 1000 mm/s, pas = 0,17 µm, épaisseur de couche = 30 µm
# CAO de la pièce

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td><td>Epaisseur (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td><td>5</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td><td>3</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td><td>3</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td><td>3</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td><td>3</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td><td>3</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td><td>3</td></tr></tbody></table>

## Défauts

* 1 défaut ouvert d'une largeur de 0,1 mm

## Capteur courants de Foucault

* Sur le racleur, perpendiculairement aux défauts

## Mesures

* En cours de déplacement du racleur

<figure><img src="image_22.png" /></figure>
# CAO de la pièce

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td><td>Epaisseur (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td><td>5</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td><td>3</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td><td>3</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td><td>3</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td><td>3</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td><td>3</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td><td>3</td></tr></tbody></table>

## Défauts

* 1 défaut ouvert d'une largeur de 0,1 mm

## Capteur courants de Foucault

* Sur le racleur, perpendiculairement aux défauts

## Mesures

* En cours de déplacement du racleur

<figure><img src="image_26.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

* Signal provenant de la poudre dans le bac de poudre et du plateau de fabrication est mesuré

* Différence entre les deux zones correspond à la sensibilité du capteur sur la pièce métallique
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

* Signal provenant de la poudre dans le bac de poudre et du plateau de fabrication est mesuré

* Différence entre les deux zones correspond à la sensibilité du capteur sur la pièce métallique
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

* Signal reçu après le dépôt de 10 couches sur la pièce de fabrication sur l'ensemble du trajet du racleur est mesuré

* Différence entre la signature du signal provenant du bac de poudre et celle du plateau de fabrication

* Aucune influence de la présence de poudre métallique sur la pièce fusionnée à partir de 10 couches fusionnées

<figure><img src="image_25.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

* Signal reçu après le dépôt de 10 couches sur la pièce de fabrication sur l'ensemble du trajet du racleur est mesuré

* Différence entre la signature du signal provenant du bac de poudre et celle du plateau de fabrication

* Aucune influence de la présence de poudre métallique sur la pièce fusionnée à partir de 10 couches fusionnées

<figure><img src="image_29.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

Déposition et fusion de 15 couches

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

* Détection du défaut 1 d'une largeur de 0,5 mm dans la pièce après fabrication
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Déposition et fusion de 15 couches

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

* Détection du défaut 1 d'une largeur de 0,5 mm dans la pièce après fabrication
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

* La formation des défauts 2 à 7 débute à la couche 67 (≈ 2mm)

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 72 couches (≈ 2,15 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 87 couches (≈ 2,6 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

* La formation des défauts 2 à 7 débute à la couche 67 (≈ 2mm)

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 72 couches (≈ 2,15 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 87 couches (≈ 2,6 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_35.png" /></figure>

<figure><img src="image_36.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

* La formation des défauts 2 à 7 débute à la couche 67 (≈ 2mm)

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 72 couches (≈ 2,15 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 87 couches (≈ 2,6 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 97 couches (≈ 2,9 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

<figure><img src="image_39.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

* La formation des défauts 2 à 7 débute à la couche 67 (≈ 2mm)

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 72 couches (≈ 2,15 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 87 couches (≈ 2,6 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 97 couches (≈ 2,9 mm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

<figure><img src="image_43.png" /></figure>
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

* La formation des défauts 2 à 7 débute à la couche 67 (≈ 2mm)

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td><td>Hauteur de détection (mm/couches)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td><td>0.45/15</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td><td>0.15/5</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td><td>0.15/5</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td><td>0.6/20</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td><td>0.6/20</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td><td>0.9/30</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td><td>0.9/30</td></tr></tbody></table>

* La formation des défauts se déroule pendant la fabrication de la pièce

* L'influence de la poudre à l'intérieur des défauts sur la détection est négligeable

* Les défauts surfacique ayant une largeur de 100 µm peuvent être détectés

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

Déposition et fusion des couches 72, 87 et 97 couches
# Résultats expérimentaux

* Capteur : 2 bobines Ø=3mm, T=8V, f=1MHz

* La formation des défauts 2 à 7 débute à la couche 67 (≈ 2mm)

<table><thead><tr><td>Défaut</td><td>Longueur (mm)</td><td>Largeur (mm)</td><td>Hauteur de détection (mm/couches)</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>10</td><td>0.5</td><td>0.45/15</td></tr><tr><td>2</td><td>10</td><td>3</td><td>0.15/5</td></tr><tr><td>3</td><td>10</td><td>2</td><td>0.15/5</td></tr><tr><td>4</td><td>10</td><td>1</td><td>0.6/20</td></tr><tr><td>5</td><td>10</td><td>0.5</td><td>0.6/20</td></tr><tr><td>6</td><td>10</td><td>0.2</td><td>0.9/30</td></tr><tr><td>7</td><td>10</td><td>0.1</td><td>0.9/30</td></tr></tbody></table>

* La formation des défauts se déroule pendant la fabrication de la pièce

* L'influence de la poudre à l'intérieur des défauts sur la détection est négligeable

* Les défauts surfacique ayant une largeur de 100 µm peuvent être détectés

<figure><img src="image_44.png" /></figure>

Déposition et fusion des couches 72, 87 et 97 couches
# Résultats expérimentaux

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 170 couches, dont 6 couches pour la deuxième marche</figcaption></figure>

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

* Non-détection des défauts après fusion des 6 couches supplémentaires au niveau de la 2ème marche

* Les défauts recouverts de poudre non fusionnée sont toujours détectés

* Résultats intéressants avec un capteur mono-élément => Création d'un capteur multiéléments (détection sur l'ensemble de la pièce)
# Résultats expérimentaux

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Déposition et fusion de 170 couches, dont 6 couches pour la deuxième marche</figcaption></figure>

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

* Non-détection des défauts après fusion des 6 couches supplémentaires au niveau de la 2ème marche

* Les défauts recouverts de poudre non fusionnée sont toujours détectés

* Résultats intéressants avec un capteur mono-élément => Création d'un capteur multiéléments (détection sur l'ensemble de la pièce)
# Développement capteur multiéléments

* Développement du capteur **CEA**

* Réalisation du capteur **STATICE**

* Dimension et caractéristique du capteur multiéléments :

* Composé 20 éléments en quinconces

* 1 élément -> 2 bobines E/R séparées

* Bobine Ø=3mm (même dimension capteur mono-élément)

* Longueur du capteur = 60 mm

<figure><img src="image_43.png" /></figure>

Cartographie de la position des défauts sur l'ensemble de la pièce

* Implémentation du capteur en machine Farsoon L-PBF

* Evaluation des performances du capteur

<figure><img src="image_44.png" /></figure>

<figure><img src="image_45.png" /></figure>

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

<figure><img src="image_47.png" /></figure>
# Développement capteur multiéléments

* Développement du capteur **CEA**

* Réalisation du capteur **STATICE**

* Dimension et caractéristique du capteur multiéléments :

* Composé 20 éléments en quinconces

* 1 élément -> 2 bobines E/R séparées

* Bobine Ø=3mm (même dimension capteur mono-élément)

* Longueur du capteur = 60 mm

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

Cartographie de la position des défauts sur l'ensemble de la pièce

* Implémentation du capteur en machine Farsoon L-PBF

* Evaluation des performances du capteur

<figure><img src="image_48.png" /></figure>

<figure><img src="image_49.png" /></figure>

<figure><img src="image_50.png" /></figure>

<figure><img src="image_51.png" /></figure>
Conclusion et perspectives

* Contrôle in-situ avec un capteur courants de Foucault fixé sur le racleur a été évalué

- Evaluation des performances du capteur mono élément CF a été réalisée

* Fabrication de la pièce en AlSi7Mg a été réalisée avec les défauts définis dans la CAO de la pièce

* L'utilisation de poudre non fusionnée autour de la zone fusionnée dans le processus L-PBF n'a pas d'influence sur la surveillance in-situ. Aucune dégradation du rapport signal sur bruit n'a été observée

* Détection des défauts de l'ordre de 0,1 mm (largeur) avec le capteur courants de Foucault lors de la surveillance in-situ de la pièce

* Réalisation et évaluation des performances du capteur multiéléments en machine Farsoon L-PBF

<figure><img src="image_48.png" /></figure>
# Conclusion et perspectives

* Contrôle in-situ avec un capteur courants de Foucault fixé sur le racleur a été évalué

* Evaluation des performances du capteur mono élément CF a été réalisée

* Fabrication de la pièce en AlSi7Mg a été réalisée avec les défauts définis dans la CAO de la pièce

* L'utilisation de poudre non fusionnée autour de la zone fusionnée dans le processus L-PBF n'a pas d'influence sur la surveillance in-situ. Aucune dégradation du rapport signal sur bruit n'a été observée

* Détection des défauts de l'ordre de 0,1 mm (largeur) avec le capteur courants de Foucault lors de la surveillance in-situ de la pièce

* Réalisation et évaluation des performances du capteur multiéléments en machine Farsoon L-PBF

<figure><img src="image_52.png" /></figure>
<figure><img src="image_49.png" /></figure>

Merci pour votre attention

<figure><img src="image_50.png" /></figure>

Confédération Française pour les Essais Non Destructifs

CEA SACLAY

91191 Gif-sur-Yvette Cedex

France

romain.saddoud@cea.fr

Standard. + 33 1 69 08 50 47
<figure><img src="image_53.png" /></figure>

Merci pour votre attention
# Campagne 09/22 Farsoon

## Défauts CAO pièce en AlSi

<figure><img src="image_51.png" /></figure>

<figure><img src="image_52.png" /></figure>

- Réalisation de défauts sphérique 0,5 et 0,3 mm

- Tomographie défauts non réalisées

- Entailles détectées

- Résultats bruités

<figure><img src="image_53.png" /></figure>
# Campagne 09/22 Farsoon

## Défauts CAO pièce en AlSi

<figure><img src="image_54.png" /></figure>

- Réalisation de défauts sphérique 0,5 et 0,3 mm

- Tomographie défauts non réalisées

- Entailles détectées

- Résultats bruités

<figure><img src="image_55.png" /></figure>