Mod?lisation num?rique thermom?canique de fabrication additive par fusion s?lective de lit de poudre par laser : Application aux mat?riaux c?ramiques

par Qiang Chen

Thèse de doctorat en M?canique num?rique et Mat?riaux

Le président du jury était Patrice Peyre.

Le jury était composé de Michel Bellet, Charles-Andr? Gandin, Gildas Guillemot.

Les rapporteurs étaient Michele Chiumenti, Muriel Carin.


  • Résumé

    L'application du proc?d? SLM est limit?e par la difficult? ? contr?ler le proc?d?. Son application aux c?ramiques est particuli?rement difficile en raison de leur faible absorption au laser et de leur faible r?sistance au choc thermique. La ma?trise de ce proc?d? n?cessite une compr?hension compl?te du transfert de chaleur, de la dynamique des fluides et de la m?canique des solides. Dans ce travail, nous proposons un mod?le num?rique pour la simulation du proc?d? SLM appliqu? aux c?ramiques. Le mod?le est d?velopp? ? l'?chelle du cordon et avec l'hypoth?se d'un lit de poudre continu. Il est bas? sur la m?thode level set et l'homog?n?isation multiphasique, avec laquelle nous sommes capables de suivre l'?volution de l'interface gaz/mati?re et les transformations de phase.?La simulation d?velop?e permet d'?tudier l'influence des propri?t?s du mat?riau et des param?tres du proc?d? sur la temp?rature, la forme du bain liquide, la dynamique des fluides et la m?canique des solides. En dehors de la puissance du laser et de la vitesse de balayage, l'absorption du mat?riau est ?galement importante pour la thermique et la forme du bain liquide. Avec la dynamique des fluides, la forme convexe du cordon est obtenue sous tension de surface. Les gouttelettes liquides se forment lors de la fusion de la?poudre et cr?ent une instabilit? du bain. Ceci entra?ne une irr?gularit? du cordon apr?s solidification. L'effet Marangoni, provoqu? par le gradient surfacique de la tension de surface, est ?tudi?. Son influence sur la r?partition de la temp?rature, la forme du bain liquide et la r?gularit? du cordon est ?voqu?e. Cet effet peut lisser la surface du cordon avec ??/?T n?gatif. En augmentant la vitesse de balayage, la surface du cordon devient plus irr?guli?re. L'effet de ??balling?? est reproduit avec une vitesse de balayage ?lev?e. Cela peut ?tre utile pour trouver le r?gime donnant une forme de cordon r?guli?re ?tant donn?es la puissance et la vitesse du laser. Le d?faut de fissuration est d?l?t?re dans la fabrication additive. L'utilisation d'un laser auxiliaire peut aider ? ?viter ce d?faut en diminuant la contrainte de traction maximale. Le mode de fonctionnement de ce laser auxiliaire reste un sujet int?ressant ? ?tudier et quelques pistes?ont ?t? donn?es par les simulations pr?sent?es. Le mod?le est valid? par la comparaison de la forme du bain liquide avec des exp?riences dans diff?rentes conditions de proc?d?. Les simulations peuvent ?galement r?v?ler la tendance de variation de la surface du cordon dans certains cas. Par la simulation de la d?position de cordons multiples, l'influence de taux de recouvrement sur la surface d'une couche, la temp?rature et l'?volution de contrainte est soulign?e.

  • Titre traduit

    Thermomechanical numerical modelling of additive manufacturing by selective laser melting of powder bed : Application to ceramic materials


  • Résumé

    The application of SLM process is limited by the difficulty of process control. Its application to ceramics is especially challengeable due to their weak absorption to laser and weak resistance to thermal shock. The mastery of this process requires a full understanding of heat transfer, fluid dynamics in melt pool and solid mechanics. In this work, we propose a numerical model for the simulation of SLM process applied to ceramics. The model is developed at the track scale and with the assumption of continuous powder bed. It is based on level set method and multiphase homogenization, with which we are able to follow the evolution of gas/material interface and phase transformation. Simulations are performed to study the influence of material properties and process parameters on temperature, melt pool shape, fluid dynamics and solid mechanics. Apart from the laser power and scanning speed, material absorption is also found to be important to the thermal behavior and the melt pool shape. With the fluid dynamics, convex shape of track cross section is achieved under surface tension. Besides that, liquid droplets collapsing formed by the melting of powder create melt pool instability when falling, thus leading to track irregularity after solidification. The Marangoni effect, caused by surface tension gradient at gas/material interface, is investigated. Its influence on temperature distribution, melt pool shape and track regularity is recognized. One interesting finding is the smoothing effect of track surface with negative ??/?T. When combine surface tension with scanning speed, track surface becomes more irregular with the increase of scanning speed. The well-known balling effect is reproduced with high scanning speed. This can be helpful to find the regime for regular track shape with given laser power and scanning speed. Cracking defect is deleterious in additive manufacturing. The use of an auxiliary laser can help to avoid this defect by decreasing the maximum tensile stress. The process mode of this auxiliary laser remains an interesting subject to be studied and some guidelines have been given by the presented simulations. The model is validated by the comparison of melt pool shape with experiments under different process conditions. Simulations can also reveal the tendency of track surface variation for certain cases. By the application to multi-track deposition, the influence of hatch distance on layer surface, temperature and stress evolution is emphasized.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Paris Sciences et Lettres. Thèses électroniques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.