Comment optimiser les performances des guides d’ondes produits par fabrication additive ?
Nos expérimentations ont démontré que plus la rugosité en surface interne du canal est grande, plus le coefficient de transmission des ondes électromagnétiques est faible.
La fusion laser sur lit de poudre, procédé de fabrication additive, présente de nombreux atouts pour la production de guides d’ondes, pièces notamment essentielles en aéronautique. Dans le cadre du projet phare ELECTRE du Carnot M.I.N.E.S, une équipe de recherche a trouvé différents moyens de limiter les pertes dans les composants ainsi fabriqués.
Les guides d’ondes sont des dispositifs permettant de guider des ondes électromagnétiques, depuis un émetteur vers un récepteur, en maîtrisant leur propagation. Ils sont utilisés, entre autres, pour les télécommunications par satellite ou les systèmes de positionnement et de navigation, en particulier dans l’aviation, civile comme militaire. Il s’agit alors de guides d’ondes hyperfréquences, intervenant à des fréquences supérieures à 1 GHz. Leur efficacité dépend essentiellement de leur capacité à transmettre le signal avec le moins possible de pertes, tout en limitant au maximum, pour des applications aéronautiques, leur encombrement et leur poids.
Fusion laser sur lit de poudre
Habituellement, ces guides d’ondes sont constitués d’un alliage de laiton ou d’aluminium, en raison de leur haute conductivité électrique. Ils sont généralement produits par usinage, une fabrication dite soustractive, dans la mesure où il s’agit de retirer de la matière au sein d’un bloc de métal de façon à réaliser la pièce souhaitée. « Cette technique est privilégiée compte tenu de son coût peu élevé, du moins pour les configurations simples », note Quentin Gaillard, maître assistant à Mines Saint-Étienne au Laboratoire Georges Friedel (LGF). « Néanmoins, un guide d’ondes avec une géométrie complexe est difficile à réaliser en usinage – donc plus coûteux –, voire impossible. »
D’où l’intérêt de procéder, au contraire, par fabrication additive. Aussi appelée « impression 3D », cette méthode repose sur la superposition successive de couches de matière. Une approche qui offre la possibilité, pour des pièces de géométries complexes, de simplifier le processus de fabrication, de réduire le coût unitaire et de limiter les pertes de matière. Cette approche est donc particulièrement intéressante pour réaliser des guides d’ondes dotés, par exemple, de plusieurs canaux transmettant les ondes électromagnétiques.
Parmi les différents procédés de fabrication additive figure la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF, Laser Powder Bed Fusion). Elle consiste à étaler une fine couche de poudre métallique sur un plateau, qui est ensuite fusionnée localement sous l’effet d’un laser, ce qui entraîne une solidification rapide à ces endroits. Une étape répétée jusqu’à aboutir, couche par couche, à l’objet souhaité. Un des atouts de cette méthode réside dans sa précision spatiale élevée, ce qui facilite la réalisation de guides d’ondes constitués de canaux fins. De plus, le procédé L-PBF offre un bon compromis entre la taille des pièces produites, le temps nécessaire à leur fabrication et leur rugosité en surface, une propriété qui, nous allons le voir, possède une importance majeure pour l’application envisagée.
Deux alliages d’aluminium au banc d’essai
Dans le cadre du projet phare ELECTRE du Carnot M.I.N.E.S et du programme Futur, ruptures & impacts de l’Institut Mines-Télécom, une équipe de recherche a travaillé sur l’optimisation des guides d’ondes fabriqués par L-PBF. Une initiative qui a réuni les expertises complémentaires du LGF de Mines Saint-Étienne, du Lab-STICC1 d’IMT Atlantique, ainsi que de l’iMMC2 et de l’ICTEAM3 de l’Université catholique de Louvain.
En l’occurrence, les chercheurs se sont concentrés sur un cas simple : un guide d’ondes vertical, doté d’un seul canal. L’idée était en effet d’étudier l’influence de certains paramètres de fabrication sur les performances de la pièce ainsi produite, sur la bande de fréquences 25-40 GHz. Cependant, en pratique, pour une géométrie aussi élémentaire, le recours au procédé L-PBF ne serait pas avantageux économiquement par rapport à un usinage classique.
En outre, l’équipe de recherche s’est intéressée uniquement aux alliages d’aluminium, un matériau possédant une bonne conductivité électrique tout en étant moins dense que le laiton. Une caractéristique primordiale dans l’aéronautique, où le poids des composants figure au centre des attentions. Plus précisément, deux alliages d’aluminium ont été étudiés, sélectionnés en fonction des expertises des laboratoires impliqués : AlSi10Mg à l’iMMC et Al6061-Zr au LGF. « Nous avons développé un savoir-faire autour de l’alliage Al6061 », indique Quentin Gaillard. « Nos précédents travaux nous ont d’ailleurs permis de démontrer que l’ajout de 2 % de zirconium (Zr) dans l’alliage améliorait la fabricabilité du matériau par L-PBF, tout en conservant une conductivité électrique élevée. »
Rugosité du guide d’ondes : quel effet sur les pertes ?
Les deux alliages ont ainsi été soumis à divers paramètres de fabrication, qui généraient, à chaque fois, des rugosités différentes en surface. Les chercheurs se sont alors penchés sur la question suivante : quelle influence exerce la rugosité sur les performances du guide d’ondes produit par L-PBF ? « Nos expérimentations ont démontré que plus la rugosité en surface interne du canal est grande, plus le coefficient de transmission des ondes électromagnétiques est faible sur la bande de fréquences d’étude, ce qui traduit une augmentation des pertes dues au composant », expose Quentin Gaillard. « Et lorsqu’on considère le guide d’ondes produit par L-PBF avec une bonne maîtrise des paramètres de fabrication qui permettent d’obtenir la rugosité la plus faible, on constate que l’on se rapproche du niveau de pertes d’un échantillon de référence : un guide d’ondes de même géométrie, mais fabriqué en laiton, par une méthode d’usinage classique. »
Par ailleurs, les chercheurs ont pu agir, non seulement sur le procédé de L-PBF en lui-même, mais aussi sur le « parachèvement post-fabrication » : toutes les opérations réalisées sur la pièce une fois fabriquée. Certaines de ces étapes s’avèrent obligatoires, en particulier le nettoyage et l’évacuation de la poudre qui n’a pas été fondue, y compris celle restant à l’intérieur du canal. Un traitement indispensable en vue de l’utilisation de l’objet, mais également pour pouvoir ensuite réutiliser, sous certaines conditions, une partie de la poudre – ce qui constitue un autre avantage du procédé L-PBF, plus économe en matière première que l’usinage. De même, les pièces fabriquées doivent être retirées du plateau sur lequel elles ont été produites, par découpe.
En revanche, d’autres actions de ce type restent optionnelles. Par exemple, il est possible d’appliquer un traitement chimique de surface dans le canal interne du guide d’ondes afin de diminuer davantage encore sa rugosité. Une opération qui, comme évoqué précédemment, contribue à améliorer les performances du composant, mais qui ajoute un coût supplémentaire à l’ensemble du processus de fabrication.
Des traitements thermiques pour optimiser la microstructure du matériau
De même, les guides d’ondes produits par L-PBF peuvent faire l’objet de traitements thermiques après fabrication pour lutter contre des effets inhérents à ce procédé. « Sous l’effet du laser, la poudre fond localement, puis le bain liquide ainsi formé refroidit très rapidement », décrit Quentin Gaillard. « Cette succession de cycles thermiques perturbe l’agencement de la matière, qui ne se retrouve, dès lors, plus dans son état d’équilibre. Et lorsqu’on découpe la pièce du plateau, ces contraintes thermiques peuvent se relâcher et entraîner une déformation irréversible. À l’inverse, en appliquant un traitement thermique, via une montée en température maîtrisée, il est possible de relaxer ces contraintes thermiques et d’éviter la déformation. »
Une telle opération peut aussi être employée pour agir à un niveau plus fin, sur la microstructure du composant, de sorte à optimiser ses propriétés physiques. « Par exemple, avec l’alliage AlSi10Mg, lors de la solidification, il se crée un réseau de silicium au sein du matériau, sous la forme de cellules de solidification micrométriques », détaille Quentin Gaillard. « Or, cette disposition entrave le déplacement des électrons dans la matière, limitant ainsi la conductivité électrique du composant fabriqué par L-PBF. Nous avons donc appliqué un traitement thermique spécifique afin de casser ce réseau, le silicium se regroupant alors en petits agrégats. Résultat : nous avons significativement augmenté la conductivité électrique du guide d’ondes et mesuré une diminution supplémentaire des pertes électromagnétiques. »
In fine, les chercheurs sont parvenus à optimiser les propriétés des composants fabriqués par L-PBF, avec les deux alliages considérés, pour des résultats similaires quant aux performances électromagnétiques hyperfréquences. Une double approche qui permet de proposer deux options aux acteurs intéressés par cette méthode, présentant chacune des avantages spécifiques. En effet, l’alliage AlSi10Mg est peu coûteux, facilement sourçable sous forme de poudre et se prête bien à la fabrication additive, mais présente des propriétés mécaniques limitées. Au contraire, l’alliage Al6061-Zr coûte plus cher, est moins présent sur le marché et s’adapte moins facilement au procédé L-PBF, mais se démarque par des propriétés mécaniques supérieures, notamment sa limite d’élasticité – contrainte à partir de laquelle le matériau se déforme de façon irréversible.
Le projet de recherche, en cours d’achèvement, fera prochainement l’objet d’une communication scientifique sous la forme d’une publication dans une revue à comité de lecture. Désormais, les chercheurs souhaitent prolonger leurs travaux en se tournant vers des géométries de guide d’ondes plus complexes, pour lesquelles le procédé L-PBF offre les meilleurs atouts.
