Efficacité des procédés basés sur les arcs électriques et des stratégies de fabrication additives afin de réaliser des structures additives pour applications navales et aérospatiales

Effectiveness of arc based processes and deposition strategies on additive manufacture structure for naval and aerospace applications

• Auteur / Autrice : Uzoma Vincent Nwankpa
• Direction : Jean-Yves Hascoët, Matthieu Rauch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 10/03/2022
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Joël Rech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Hascoët, Matthieu Rauch, Joël Rech, Eric Hug, Hélène Chanal, Guillaume Rückert, Guillaume Racineux, Fabian David
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Hug, Hélène Chanal
• DOI : 10.70675/df4c8698z334az4833zb009za5a040da23be

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Arc électrique

Titane -- Alliages

Aluminium -- Alliages

Construction navale

Industrie aéronautique

Mots clés libres

Fabrication additive WAAM

Acier inoxydable austénitique

Aluminium

CMT

TIG

PAW

Fil prototype

Fabrication additive WAAM

Austenitic stainless

Aluminium

CMT

TIG

PAW

Prototype wire

Résumé

Le processus de fabrication additive par fusion de fil métallique par arc électrique (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) est devenu un procédé pertinent pour la fabrication de composants de structures complexes, qui étaient très compliqués à réaliser avec les méthodes de fabrication conventionnelles. Différents procédés à base d'arc électriques sont disponibles pour la mise en œuvre de matériaux tels que les alliages de titane ou d'aluminium et les aciers inoxydables, afin de produire des composants de grandes tailles. Néanmoins, il reste à déterminer quel est le meilleur procédé à base d'arc électrique à employer pour un matériau donné. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs procédés à base d'arc électrique ont été étudiés pour déterminer s'ils convenaient à la fabrication de structures en acier inoxydable austénitique et en aluminium. Pour ce dernier, les travaux ont porté sur le procédé MIG/MAG de transfert de métal froid (CMT) en raison de son vaste choix de paramètres et de son faible apport de chaleur. Différentes stratégies de dépôt et l'utilisation des procédés TIG, MIG et Plasma ont été étudiés pour le dépôt d'aciers inoxydables austénitique par fabrication additive. Une étude approfondie des paramètres du processus tels que le courant, la vitesse de dévidage du fil et la vitesse de déplacement de la torche a été réalisée. Il a été montré que les propriétés mécaniques de chaque structure déposée par divers procédés à base d'arc satisfaisaient aux propriétés mécaniques requises. De plus, les stratégies de dépôt ont eu un impact plus important sur les propriétés mécaniques. En outre, la précision de la géométrie et le taux de ferrite diminuent en fonction de l'augmentation de l'apport de chaleur. Des études sur l'aluminium ont été menées avec le procédé CMT, une méthodologie de sélection de la meilleure synergie et du meilleur mode CMT pour le dépôt d'un fil prototype a été proposée. En outre, l'impact des stratégies de dépôt et de l'alternance de ces stratégies avec divers modes CMT sur l'atténuation de la propagation des fissures à partir de la base d'un composant WAAM ont été étudiées. Des études détaillées sur l'impact de la rampe des paramètres sur la précision de la géométrie de la paroi mince en aluminium ont été réalisées ainsi que sur la capacité de réaliser des structures suspendues. Enfin, l'étude a montré que le dépôt d'une structure en aluminium sur un support aux propriétés différentes est sujet à des fissures dues à une expansion et une contraction thermique inégales. Ainsi, ces travaux apportent des éléments d'aciers inoxydables austénitique et l'aluminium de paramétrage des procédés WAAM qui peux être significative dans l’objectif de réaliser des composants pour des applications navales et aéronautiques.

Wire and Arc Additive Manufacturing process is becoming an alternative technique used in manufacturing components of complex structures, which were unimaginable to achieve by conventional manufacturing methods. Various arc-based processes have been applied with titanium, aluminium, steel, and stainless steel to produce large components. Nevertheless, the best arc-based process for any given material of choice is yet to be addressed. In this research, several arc-based processes were investigated for their suitability to manufacture austenitic stainless steel and aluminium structures. However, the latter was confined to be deposited by cold metal transfer process (CMT) due to its high deposition rate and low heat input. Different deposition strategies and the use of gas metal arc, tungsten inert gas and plasma arc as heat sources for the deposition of austenitic stainless steel were investigated. An in-depth investigation of the process parameters such as current, wire feed speed and travel speed were carried out. It was found that the mechanical properties on each structure deposited by various arc-based processes satisfied the required mechanical properties Moreover, deposition strategies had moreimpact on the mechanical properties. Inaddition, the geometry accuracy and ferrite number decrease with respect to increased heat input. Aluminium studies were investigated with CMT process; a methodology to select the best CMT synergy and deposition mode for a prototype wire was proposed. Furthermore, the impact of deposition strategies and alternating these strategies with various CMT modes on mitigating crack propagation from the root of a WAAM component was investigated. Detailed studies on impact of ramping parameters on the aluminium thin wall geometry accuracy were performed. Afterwards the ramping parameters was implemented in the manufacture of suspended aluminium structures on steel support. Finally, the investigation showed that deposition of aluminium structure on a support of dissimilar properties is subject to crack due to uneven thermal expansion and contraction. The results of these research work on austenitic stainless steel and aluminium alloys for WAAM component can be of significance in the naval and aerospace applications.