Conception pour la fabrication additive, application à la technologie EBM

par Benjamin Vayre

Thèse de doctorat en Génie industriel conception et production

Sous la direction de François Villeneuve.

Le président du jury était Alain Bernard.

Le jury était composé de Stéphane Abed, Frédéric Vignat.

Les rapporteurs étaient Pascal Mognol.


  • Résumé

    Les procédés de fabrication additive sont aujourd'hui de plus en plus utilisés dans l'industrie. Parmi les différentes technologies existantes, les procédés additifs métalliques, et notamment les procédés en couches, sont les plus prometteurs pour la conception de produits mécaniques. Des travaux ont été menés sur la thématique de la conception de produits réalisés par ces moyens, il traitent principalement du choix du procédé le plus adapté, de l'optimisation de formes ou présentent des cas de reconception. Il n'existe cependant pas de démarche globale de conception de produits qui permettent de prendre en compte les spécificités des procédés additifs en couches, notamment leurs contraintes de fabrication.Lors de ce travail de thèse, les changements que ces procédés introduisent dans le domaine des possibles en conception de produits ont été montrés et illustrés par des pièces réalisées par EBM. De nouvelles opportunités s'offrent au concepteur, comme l'accès à l'ensemble du volume de fabrication, la facilité de réalisation de pièces complexes, la possibilité de réaliser des treillis tridimensionnels et la capacité de produire des mécanismes sans assemblage. Les contraintes de fabrication de ces procédés sont spécifiques. Les phénomènes thermiques lors de la fabrication ont une incidence sur la fabricabilité et la qualité des pièces. La phase de retrait de poudre impose quant à elle des contraintes d'accessibilités. Pour prendre en compte cette évolution, il est nécessaire de concevoir spécifiquement les pièces pour la fabrication additive.Le procédé EBM est au centre du travail réalisé. Il s'agit d'un moyen de fabrication additive en couches, par fusion, à l'aide faisceau d'électrons. Les phénomènes thermiques, qui peuvent causer déformations et mauvaise intégrité de la matière, l'opération de dépoudrage et la problématique de la qualité des pièces fabriquées par EBM ont fait l'objet de caractérisations expérimentales. La durée de fabrication et le coût de revient technique des pièces réalisées par EBM ont également été étudiés, afin d'établir la relation entre durée, coût et géométrie des pièces.Pour de prendre en compte les contraintes explicitées auparavant, et pour bénéficier des importantes libertés que ce procédé offre aux concepteurs, une démarche de conception a été proposée. Cette démarche consiste à générer une ou plusieurs géométries initiales, soit directement par le concepteur, soit par l'utilisation d'outils d'optimisation topologique, à partir de données extraites du cahier des charges. Une fois le balançage de la pièce choisi (en prenant en compte les contraintes de fabrication, le tolérancement de la pièce et la productivité de la fabrication), la pièce est modélisée en incluant un jeu de paramètres pour effectuer une optimisation paramétrique. Cette optimisation permet de dimensionner la pièce, tout en prenant en compte les contraintes de fabrication. A l'issue de cette phase d'optimisation, la géométrie finale est obtenue en prenant en compte les exigences des opérations de parachèvement éventuelles et en définissant les supports, s'ils sont nécessaires. Cette démarche a été illustrée par la reconception de deux pièces mécaniques qui répondent aux exigences de leur cahier des charges fonctionnel, sont fabricables à l'aide du procédé EBM et offrent des gains de masse importants.Enfin, un chapitre particulier est consacré aux perspectives mises en évidence (et ayant parfois fait l'objet de travaux préliminaires) à l'occasion de ce travail de thèse.

  • Titre traduit

    Design for Additive Manufacturing, focus on EBM technology


  • Résumé

    Nowadays, the use of Additive Manufacturing processes keeps growing in the industry. Among the numerous kinds of AM processes, metallic additive manufacturing processes, and metallic Additive Layer Manufacturing in particular, are the most interesting from a mechanical designer point of view. Several research studies have been conducted on the topic of Design For Additive Manufacturing, mostly discussing the choice of AM processes or presenting the redesign of parts. There is no specific design methodology for ALM processes that takes their specificities into account.During this PhD thesis, the changes that ALM processes bring to the design space were investigated. The designer has the opportunity to easily manufacture thin parts, complex parts, lattice structures or mechanisms that don't need any assembly. These processes also have specific manufacturing constraints compared to conventional processes. The heat dissipation is the most important factor since it can cause distortions and porosities. Powder removal, surface and geometrical quality also need to be considered during design. A specific design for additive manufacturing methodology is necessary to take these changes into account.This work focuses on the Electron Beam Manufacturing process. Experiments were conducted and analyzed to assess the manufacturability regarding the thermal phenomena (during melting), the powder removal and the quality of the parts produced by EBM. The impact of the part geometry on manufacturing duration and manufacturing cost was also established.In order to use allow designers to use these pieces of information, we suggested a designing methodology. From the requirements of the parts, one or several parts are generated by the designer or by using topological optimization tools. The orientation of the part inside the manufacturing space is set before designing a refined parametric geometry. This parametric geometry is optimized in order to meet the user requirements as well as the EBM requirements. The last step is the modification of the geometry to comply with the finishing operations (machining allowances for example) and the placement of supports, if needed. This methodology was illustrated with the redesign of two example parts and showed important mass savings from the parts (while meeting user and process requirements).The prospects discovered and highlighted during this work, some of which were preliminary investigated, are presented in a specific chapter.


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