Synthèse de stratégies de fabrication pour la maîtrise de la microstructure des pièces produites par dépôt de matière sous énergie concentrée

Synthesis of manufacturing strategies for controlling the microstructure of parts produced by Directed Energy Deposition

• Auteur / Autrice : Michèle Bréhier
• Direction : Christophe Tournier, Daniel Weisz-Patrault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire de recherche en production automatisée (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1981-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Duc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fanny Balbaud-Celerier, Jean-Yves Hascoët, Roland Logé, Éric Charkaluk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fanny Balbaud-Celerier, Jean-Yves Hascoët
• DOI : 10.70675/914b3bdezfec4z400bz9ba7z63497eebc984

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microstructure (physique)

Système de CFAO

Optimisation des structures

Prototypage rapide

Mots clés libres

Microstructure

Cfao

Fabrication additive métallique

Dépôt de matière sous énergie concentrée

Optimisation

In718

Microstructure

Cad/cam

Metallic additive manufacturing

Directed Energy Deposition

Optimisation

In718

Résumé

La fabrication additive métallique est un procédé qui construit des objets couche par couche en produisant le matériau en même temps que l'objet. Un défi industriel majeur est d'obtenir des propriétés optimales du matériau en fonction des sollicitations mécaniques. Or, les propriétés mécaniques dépendent de la microstructure.Dans la littérature, différents leviers d'action permettant de modifier la microstructure en fabrication additive ont été identifiés. Cependant, certains d'entre eux sont difficiles à mettre en œuvre pour un couple machine-matériau donné, nécessitent l'ajout d'équipements supplémentaires ou bien rallongent le temps de fabrication.La modulation de l'apport d'énergie à travers les paramètres de puissance du laser et de vitesse de scan demeure donc une approche pratique, bien que ces paramètres influencent directement la géométrie des cordons.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des stratégies de fabrication permettant de produire conjointement la géométrie et la microstructure souhaitées, cette dernière pouvant être variable au sein d'une même pièce, pour des procédés de dépôt de matière sous énergie concentrée (DED).Les études expérimentales menées dans ces travaux pour le matériau IN718, examinent alors deux leviers principaux pour le contrôle de la microstructure : le refroidissement actif pendant la fabrication et la variation de la vitesse de scan. Le refroidissement actif influence significativement la microstructure dans les procédés laser-poudre, tandis que son effet est négligeable dans les procédés laser-fil. L'impact des variations de vitesse de scan sur la microstructure et la géométrie des pièces est également évalué.S'appuyant sur ces résultats, une méthode de génération de trajectoire est développée, assurant l'intégrité géométrique tout en obtenant les variations microstructurales souhaitées. La trajectoire obtenue peut être effectuée avec ou sans inclinaison de la buse par rapport à la pièce.L'algorithme développé est enfin appliqué à un cas simplifié d'une paroi monocordon, démontrant son efficacité pour produire des pièces présentant un gradient de microstructure. La combinaison de vitesses de scan et de refroidissement actif variable se révèle particulièrement efficace, résultant en des variations microstructurales significatives d'un bout à l'autre de la pièce.

Metal additive manufacturing is a process that builds objects layer by layer, producing the material simultaneously with the object. A major industrial challenge is to achieve optimal material properties based on mechanical stresses. However, the mechanical properties depend on the microstructure.In the literature, various levers have been identified to modify the microstructure in additive manufacturing. However, some of these are difficult to implement for a given machine-material pair, require adding extra equipment, or lengthen the manufacturing time.Modulating the energy input through laser power and scanning speed parameters remains practical, although these parameters directly influence the bead geometry.This thesis aims to develop manufacturing strategies that enable the simultaneous production of the desired geometry and microstructure, the latter potentially varying within a single part, for directed energy deposition (DED) processes.The experimental studies conducted in this work for the IN718 material examine two main levers for microstructure control: active cooling during manufacturing and variation of the scanning speed. Active cooling significantly influences the microstructure in laser-powder processes, while its effect is negligible in laser-wire processes. The impact of scanning speed variations on the microstructure and geometry of the parts is also evaluated.Based on these results, a trajectory generation method is developed, ensuring geometric integrity while achieving the desired microstructural variations. The obtained trajectory can be executed with or without tilting the nozzle relative to the part.The developed algorithm is finally applied to a simplified case of a single-bead wall, demonstrating its effectiveness in producing parts with a microstructure gradient. The combination of scanning speeds and variable active cooling proves particularly effective, resulting in significant microstructural variations from one end of the part to the other.