Études de plasmas RF et DC-pulsés et de leurs interactions avec une surface métallique
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Currently, the most popular technology for Metal Additive Manufacturing (AM) is the powder bed fusion, which refers to the processes using a thermal energy to melt and fuse the powders layer by layer, either by an electron beam or by laser. However, before melting the powders, it is necessary to preheat them, in order to eliminate the residual stresses of the part manufactured and suppress the smoke effect. The most popular process used for preheating the metallic powders to temperatures between 600 and 700 ° C is by an electron beam. This preheating by electrical charges must working under vacuum (10⁻³ mbar) and can charge the metallic powders. The research subject of this thesis is to propose a novel process for preheating the metallic powder by a non-thermal plasma. A new plasma reactor configuration has recently been developed at LPGP to produce a linear plasma in front of a metallic surface, and to promote thetransfer of energy plasma-surface. Parameters such as the geometry of reactor, the electrical parameters of the power supplies (RF and DC-pulsed), the nature of gas (helium, argon, and nitrogen), the working pressure (0.8- 50 mbar). In this way, the system was optimized in terms of the production of charged particles close to the metallic surface. The experimental results obtained suggest that the plasma is capable to pre-heat the metallic surface up to 680 ° C after one second of exposure. In parallel, a numerical modeling via PLASIMO simulation package was used to determine the spatial distribution of the density and the flux of charged particles, and for studying the effect of different parameters, such as the gas pressure, the geometrical and electrical parameters. When possible, the experimental and numerical results have been compared.
Abstract FR:
Actuellement, la technologie la plus répandue de la Fabrication Additive Métallique est la fusion sur lit de poudre, qui désigne les procédés utilisant de l'énergie thermique pour faire fondre et fusionner les poudres couche par couche, soit par un faisceau d’électrons ou par laser. Par contre, avant de fusionner les poudres, il est nécessaire de les préchauffer afin d’éliminer les contraintes résiduelles de la pièce fabriquée et pour éviter l'effet 'smoke'. Jusqu’à présent, le procédé le plus répandu utilisé pour le préchauffage des poudres métallique jusqu’à des températures entre 600 et 700 °C est par un faisceau d’électrons. Par contre, ce préchauffage doit surtout se dérouler sous vide (10⁻³ mbar), et peut charger les poudres métalliques. Le sujet de recherche de cette thèse est de proposer un nouveau procédé pour le préchauffage des poudres métalliques par un plasma froid. Pour cela une nouvelle configuration a été mise point au LPGP afin de produire un plasma linéaire devant une surface métallique et de favoriser le transfert d’énergie plasma/surface. Nous avons fait varier différents paramètres tels que, les paramètres géométriques du dispositif, les paramètres électriques des alimentations (RF et DC-pulsée), la nature du gaz (hélium, argon, azote) et la pression de travail (0.8 - 50 mbar). Au bout de ces études paramétriques, nous avons réussi à proposer un procédé plasma nous permettant le chauffage de la surface jusqu’à 680°C en une seconde d’exposition au plasma. En parallèle, une modélisation numérique via le code PLASIMO a été utilisée pour déterminer la distribution spatiale de la densité et du flux des particules chargées, afin d'étudier l'effet de différents paramètres, tels que la pression du gaz, les paramètres électriques et géométriques. Lorsque cela est possible, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés.