Fabrication additive et ultravide

La fabrication additive (« impression 3D ») est aujourd’hui présente dans notre vie quotidienne. Elle est devenue un procédé de réalisation permettant d’obtenir des pièces mécaniques métalliques complexes avec des délais et des coûts de fabrication moindres.
Dès lors, il était inévitable qu’elle trouve sa place (aux côtés de la méthode traditionnelle qu’est l’usinage) dans le domaine des accélérateurs utilisés pour la recherche en physique nucléaire et en physique des particules.
Cependant, la fabrication additive métallique arrivant depuis peu à maturité, une étude prospective a été lancée par l’IN2P3 (Institut National de Physique Nucléaire et Physique des Particules) pour appréhender cette technologie.
Dans ce cadre, la compatibilité des pièces réalisées par ce procédé avec une utilisation en ultravide a été évaluée. Des mesures quantitatives et qualitatives de dégazage ont ainsi été effectuées au sein du groupe « Technologies Vide, Surfaces et Matériaux » du LAL (Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire) 1.

Contexte

Accélérateurs:

Les accélérateurs de particules fonctionnent sous ultravide, à une pression de l’ordre de 10-8 Pa.
Atteindre une telle valeur nécessite, en premier lieu, une parfaite étanchéité des jonctions entre les différentes parties.
Par ailleurs, les pièces utilisées doivent répondre à un ensemble de contraintes, parmi lesquelles être non poreuses et présenter un taux de dégazage le plus faible possible.
La nature du dégazage a également son importance pour éviter certaines pollutions des chambres à vide ou des procédés mis en oeuvre à l’intérieur de celles-ci.
Les surfaces d’un accélérateur sont soumises généralement à de forts champs électriques et sont impactées par des ions, des électrons et des photons. Les rendements de désorption de ces surfaces doivent être le plus faible possible (vide dynamique).
D’une manière générale, l’obtention d’un très bon vide dans un accélérateur est fortement liée aux propriétés des surfaces qui y sont soumises.
Les diverses chambres à vide composant les installations sont généralement en inox (304L, 316L).
L’aluminium, le niobium et le cuivre font également partie des métaux utilisés selon les besoins et caractéristiques désirées.

Fabrication additive métallique

Dans la pratique, cette dénomination regroupe divers procédés de fabrication, pouvant être
regroupés en plusieurs grandes familles.

De même, la mise en œuvre de chacun de ces principes fait intervenir de nombreux paramètres ajustables.
Au final, chaque fabricant présente des pièces avec des caractéristiques particulières (pouvant être très différentes de celles de ses confrères/concurrents).
Il est donc nécessaire d’effectuer des mesures pour chaque procédé et chaque fabricant.
Parmi les méthodes les plus avancées se trouve le procédé SLM (Selective Laser Melting), consistant à empiler des couches de poudre fondues par laser.

Étude

L’étude a porté sur des pièces en inox 316L issues de la méthode SLM, fournies par deux fabricants différents.
Les pièces réalisées pour les mesures sont des tubes à brides KF et CF reprenant les mêmes dimensions que des tubes inox en fabrication traditionnelle vendus dans le commerce. Ceci permet ainsi une étude comparative entre des tubes inox FA et des tubes inox provenant de la filière traditionnelle.
Une première phase de tests a confirmé la nécessité d’usiner les portées de joints pour obtenir l’étanchéité lors des montages. La fabrication additive seule ne permet donc pas la réalisation de pièces utilisables telles quelles sur des installations sous vide.
Passée cette première étape, les mesures concernant le dégazage ont commencé.
Nous avons mesuré le taux de dégazage (mesure quantitative) et effectuer des spectres de masses des composés dégazés (mesure qualitative) pour des tubes présentant des surfaces internes brutes et usinées.
Un montage tout métal, à faibles coefficients de dégazage, est utilisé pour permettre ces mesures de très faibles valeurs.

Le taux de dégazage est déterminé selon deux méthodes :

La méthode par accumulation en mesurant la pression statique dans les tubes à l’aide d’une jauge à bille.
La méthode dynamique avec relevé de la pression par une jauge de type Penning, en présence de pompage.
Un spectromètre de masses est installé pour l’analyse des gaz dans l’enceinte.

L’ensemble des mesures effectuées indique que les pièces en inox issues de la FA testées sont compatibles avec une utilisation en UHV.

Application aux accélérateurs
En parallèle, une pièce spécifique aux accélérateurs a été conçue et testée : un BPM.
Ce BPM (Beam Position Monitor) est un exemple de pièce complexe pour laquelle la FA apporte une plus-value.
Son utilisation sous vide a été validée. Par ailleurs, les essais effectués pour tester son bon
fonctionnement se sont montré concluants 2.

Conclusion

Les mesures effectuées jusqu’à présent ont validé la possibilité d’utiliser en ultravide des pièces inox réalisées en FA 3.

Ceci vaut uniquement pour les pièces en inox issues du procédé SLM qui ont été testées.
D’autres études sont encore à réaliser, qui concernent le comportement en vide dynamique (avec faisceau), notamment la mesure du taux d’émission d’électrons secondaires (Secondary Emission Yield).
Il reste encore de nombreuses mesures à venir concernant aussi bien d’autres procédés de
fabrication que d’autres métaux.
Néanmoins, ces premiers résultats sont prometteurs pour l’utilisation de la fabrication additive dans le milieu des accélérateurs de la recherche.

1 Laboratoire de l’IN2P3 du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).
2 Publication : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01871669
3 Publications : http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/874/1/012097
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1350/1/012199

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