MOFASSAL - Modélisation multiphysique et Optimisation du procédé de FAbrication directe de pièceS métalliques par projection laSer à l'aide d'une méthode sAns maiLlage.

par Tahar Anedaf

Projet de thèse en Sciences - STS

Sous la direction de Boussad Abbes et de Yu Ming Li.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences, Technologies, Santé , en partenariat avec (GRESPI) Groupe de Recherche En Sciences Pour l'Ingénieur (laboratoire) depuis le 15-12-2016 .


  • Résumé

    Les technologies de fabrication additive par laser sont en plein essor et contribuent au développement de nouvelles possibilités de fabrication. C'est des approches de fabrication permettant de fabriquer, couche par couche, par ajout de matière, un objet physique à partir d'un objet numérique. Très flexibles dans leur mise en œuvre, ces procédés permettent de générer des formes métalliques complexes. Le challenge de ces technologies est de parvenir à fabriquer des pièces de qualité équivalente à celles obtenues avec les procédés conventionnels que sont le moulage, l'usinage ou le forgeage. Le but de ce projet est de développer une modélisation multi-physique du procédé de fabrication additive par projection de poudre métallique par une méthode numérique sans maillage afin de comprendre les mécanismes complexes mis en jeu lors de la réalisation des pièces, d'étudier l'influence des paramètres opératoires sur les caractéristiques finales de ces pièces et de les optimiser. Le modèle numérique qui sera développé permettra de simuler les différentes étapes du procédé de fabrication additive par projection laser de poudre métallique : à partir de la formation du jet de poudre, de son échauffement sous l'action du faisceau laser, jusqu'à la solidification du dépôt en passant par l'évolution de la surface libre du bain fondu, dans un même logiciel basé sur la méthode sans maillage FPM (Finite Pointset Method). Sur cette base, les objectifs de ce travail de thèse sont : • Développer un modèle numérique pour étudier l'écoulement de la poudre et les phénomènes de transfert de chaleur dans le jet de poudre à l'intérieur et à l'extérieur de la buse coaxiale. • Développer un modèle numérique qui couple le modèle d'écoulement de la poudre avec la formation du dépôt en tenant compte de la flottabilité, de la tension superficielle et de l'effet Marangoni dans le bain liquide. • Simuler différents dépôt avec une variété de scénarios et de paramètres pour optimiser le procédé afin de réduire la variabilité géométrique des pièces étudiées. • Effectuer des essais expérimentaux dans le cadre de la plateforme technologique régionale sur la fabrication additive (PALINIUM 3D) pour la validation du modèle. • Introduction Depuis une vingtaine d'années, les technologies de fabrication additive par laser sont en plein essor et contribuent à développer les possibilités de fabrication. D'une grande flexibilité dans leur mise en œuvre, ces procédés permettent de générer des formes métalliques complexes. Le challenge de ces technologies est de parvenir à fabriquer des pièces de qualité équivalente à celles obtenues par les procédés conventionnels tels que le moulage, le forgeage ou l'usinage. C'est une extension des procédés de réparation qui consiste à générer une nouvelle pièce à partir d'une géométrie déjà existante. La fabrication additive « métal par projection » permet de réaliser, par ajout de matière, des pièces métalliques et des outillages. Elle vient répondre à des besoins d'entreprises typiques de la région Champagne-Ardenne comme les forges et les outilleurs. Cette technique a trouvé un créneau d'application important dans le revêtement ou la réparation des composants de grande valeur ainsi que des composants ayant subi une usure importante (réparation des aubes de turbines pour le secteur de l'aéronautique, rénovation de tiges de forage pour l'industrie offshore, réparation ou modification des outillages de moulage par injection pour l'industrie automobile par exemple). Cette méthode combine plusieurs avantages tels que : la possibilité de fabriquer des couches en horizontal, en vertical ou en incliné, la possibilité d'utiliser une variété de matériaux, sous forme de poudre ainsi que leur combinaison in situ, la création des couches sur des surfaces plates ou rondes, ce qui est suffisamment adapté pour les applications de réparation et de revêtement. Elle présente également des inconvénients tels que la présence de défauts de dilution et à faible adhérence, l'effet d'escalier peut limiter la précision géométrique en raison des hauteurs de couche… En outre, des opérations de post-traitement sont généralement nécessaires pour améliorer la finition de la surface et la précision géométrique. Il devient nécessaire de mieux maîtriser le processus de fabrication afin d'étudier l'influence des paramètres opératoires sur les caractéristiques finales de ces pièces et de les optimiser. Il apparaît dès lors indispensable de mieux comprendre les mécanismes complexes qui sont en jeu lors de la réalisation des pièces. La finalité, ensuite, est d'obtenir des pièces fonctionnelles dès la fin du processus de fabrication additive. Les études qui seront menées dans le cadre de ce projet de thèse, porteront sur des matériaux présentant un réel intérêt industriel tels que l'acier inoxydable 316L, l'alliage de titane TI-6AL-4V…etc.

  • Titre traduit

    MOFASSAL - Multiphysics modeling and process Optimization of manuFActured partS by direct laSer metal deposition using A meshLess method.


  • Résumé

    The additive manufacturing technologies by laser are flourishing and contribute to the development of new possibilities of manufacturing. These manufacturing approaches allow to make, layer by layer, by addition of material, a physical object from a digital object. Very flexible in their implementation, these processes allow to generate complex metallic shapes. The challenge of these technologies is to succeed in making quality parts equivalent to those obtained with the conventional processes that are the molding, the machining or the forging. The purpose of this project is to develop a multi-physical additive model of the manufacturing process by projection of metallic powder by a numerical meshless method to understand the complex mechanisms involved during the manufacturing of parts, to study the influence of the operating parameters on the final characteristics of these parts and to optimize them. The numerical model which will be developed will allow to simulate the various stages of the manufacturing process additive by projection laser of metallic powder: from the formation of the jet of powder, its heating under the action of the laser beam, until the solidification of the deposit via the evolution of the free surface of the molten bath, in the same software based on the meshless method FPM (Finite Pointset Method). On this basis, the objectives of this work of thesis are: Develop a numerical model to study the flow of the powder and the phenomena of transfer of heat in the jet of powder inside and outside of the coaxial nozzle. Develop a numerical model which couples the model of flow of the powder with the formation of the deposit by taking into account the buoyancy, the surface tension and the effect Marangoni in the liquid bath. Simulate different deposits with a variety of scenarios and parameters to optimize the process to reduce the geometrical variability of the studied parts. Conduct experimental testing within the framework of the regional technological platform on the additive manufacturing (PLATINIUM3D) for the validation of the model.