Interaction du laser avec le lit de poudre puis avec le bain de fusion
Les électrons d’un laser se comportent comme des grains interagissant avec les particules de matière par le biais de la force électromagnétique. De masse nulle et sans charge électromagnétique ils excitent les électrons des atomes en les faisant changer de niveau d’énergie. Il en résulte une augmentation de la température des atomes ainsi excités. Initialement dans un état énergétique stable, la matière reçoit en quelque sorte l’énergie transportée par les photons du laser.
Fig. 1 : Formation du bain de fusion. Interaction des photons avec (les électrons de) la poudre
Les lasers utilisés sont à énergie continue. Le plus répandu est le laser Nd:Yag car sa longueur d’onde plus courte permet une meilleure absorption par la matière. On peut citer également les laser CO2 dont la longueur d’onde est cependant plus élevée.
Une partie de cette énergie est dispersée soit par réflexion du laser sur la matière, soit par interaction du laser avec le gaz issue de la fusion de la poudre. Par ailleurs, l’état de la matière influence également la profondeur de pénétration. A l’état de poudre, le rayon se diffracte sur les particules de poudre et pénètre plus profondément par ses multiples réflexions avec les grains.
Fig. 2 : Pénétration du laser et réflexion sur les premières couches de grains de poudre
A l’état dense (solide, liquide, pâteux), seuls les électrons libres proches de la surface sont excités et l’échauffement induit se propage dans le reste de la pièce par phénomène de conduction. L’alimentation du bain de fusion se fait par accrétion des grains de poudre situés amont et qui, sous l’effet des forces en présence, sont attirés dans celui-ci.
Fig. 3 : Formation du bain liquide de fusion et interaction avec le laser
Régime du bain de fusion
Le comportement du bain de fusion est régi par de nombreux phénomènes : la force de Marangoni, la force de Lorentz, la force de cisaillement aérodynamique et la force de flottabilité. Selon la puissance laser ces forces sont en équilibre stable ou instable donnant lieu à plusieurs régimes de fusion.
Le régime stable se caractérise par un bain bombé sur le dessus et une profondeur de l’ordre de grandeur de l’épaisseur de poudre. Cette forme est due à la tension de surface produite à l’interface bain liquide / gaz. Du fait des forts gradients thermiques à cette interface des forces de Marangoni se mettent en place.
Fig. 4 : Bain de fusion en régime stable
Il existe également un régime de fusion appelé « trou de serrure » ou « keyhole » dans lequel la matière se vaporise et forme un tunnel contre les parois duquel les rayons se réfléchissent et pénètrent ainsi plus en profondeur au sein de la matière.
Fig. 5 : Amorce du régime de fusion en mode « keyhole »
Fig. 6 : Bain de fusion en régime instable ou « keyhole »
Rendement ou absorption d’énergie :
Une partie de l’énergie apportée par le laser est réfléchie et ne participe donc pas à la fusion de la poudre. On appel rendement le pourcentage d’énergie effectivement absorbée et contribuant directement à la la fusion.
Ce rendement est par ailleurs différent selon l’état du bain de fusion. En réalité il varie constamment et est dépendant de la température. Pour simplifier on ne distingue que trois cas : le régime transitoire lorsque le laser entre en contact avec la couche de poudre (début de chaque nouvelle trajectoire), le régime conductif stable et le régime « keyhole » instable.
Références bibliographiques :
- Note CEA
- Thèse Anaïs Baumard
- Thèse Laurent Van Belle (INSA Lyon LaMCos)
- Thèse Alexis Queva (Safran / Université PSL Mines Paris Tech)
- Thèse Qiang Chen (Université PSL Mines Paris Tech)
- Thèse Julie Maisonneuve (Université PSL Mines Paris Tech)
- Thèse Guillaume Marion (Université PSL Mines Paris Tech)
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