Fabrication additive arc-métal : élaboration et caractérisation en fatigue de pièces en acier 316L et alliage de titane TA6V

par Christophe Hacquard

Projet de thèse en Mécanique et Génie Civil

Sous la direction de Frédéric Deschaux-beaume, Fabien Soulie et de Jean-michel Muracciole.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (laboratoire) et de Assemblages soudés (AS) (equipe de recherche) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    Le projet proposé doit contribuer au développement d'un nouveau procédé de fabrication additive (FA) qui permettra la réalisation de pièces métalliques de dimensions importantes et de géométries complexes. La technologie alternative retenue, dérivée des procédés de soudage, est basée sur le dépôt d'un fil métallique fondu à l'aide d'une tête de soudage à l'arc électrique (procédé MIG-CMT développé par la société FRONIUS https://www3.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-6E6E2EB0-7342A297/fronius_france/hs.xsl/32_10110.htm), couplée à un robot. Les travaux de thèse envisagés concernent plus spécifiquement l'identification de paramètres procédé (paramètres énergétiques, gaz de protection, stratégie d'empilement des couches …) conduisant à des caractéristiques géométriques optimales et limitant les distorsions dues aux contraintes résiduelles, et la caractérisation en fatigue des matériaux obtenus (acier 316L et alliage de titane TA6V). Le premier objectif de la thèse sera la réalisation de pièces-éprouvettes présentant des caractéristiques géométriques acceptables, c'est-à-dire de forme régulière (épaisseur, hauteur des couches) avec un état de surface limitant les reprises d'usinage. Les études déjà menées au LMGC ont montré qu'il était possible d'obtenir de telles pièces en acier non allié ou en alliage d'aluminium. Un travail d'optimisation des paramètres du procédé sera nécessaire pour adapter ces résultats aux matériaux de l'étude. D'autre part, le choix des paramètres procédé conditionne aussi les microstructures et les caractéristiques mécaniques des matériaux obtenus. Afin de mieux comprendre les relations entre les paramètres procédé, les phénomènes physiques intervenant lors de la fusion puis la solidification du fil métallique déposé, et les propriétés qui en découlent, une instrumentation du procédé devra être réalisée, en utilisant les outils développés par le LMGC (enregistrement des tension et intensité de l'arc, caméras rapides, caméras IR…). Le second objectif sera d'obtenir une caractérisation en fatigue des éprouvettes fabriquées. Le dépouillement des essais de fatigue nécessitera de développer des protocoles spécifiques pour analyser le comportement mécanique des matériaux à l'échelle de la microstructure (identification de comportements thermomécaniques à partir de mesures de champs). La présence de champs de contraintes résiduelles complexes au sein des éprouvettes pourra modifier le comportement en fatigue des matériaux. Des mesures de contraintes résiduelles par diffraction de rayons X pourront aider à connaître l'état de contrainte initial d'éprouvettes de fatigue, qui sera pris en compte dans le protocole de dépouillement des essais. Le travail de recherche sera réalisé au sein des équipes Assemblages Soudés (pour la partie fabrication des éprouvettes) et Thermomécanique des Matériaux (pour la partie caractérisation en fatigue) du LMGC. Une collaboration étroite est aussi attendue avec les autres partenaires travaillant sur le même projet de recherche : l'Institut Clément Ader (Albi) et le Laboratoire Génie de Production (Tarbes) sont chargés de la caractérisation fine des microstructures obtenues et de la mesure des contraintes résiduelles ; le Centre de Mise en Forme des Matériaux (Sophia Antipolis) développera une modélisation et une simulation numérique du procédé ; enfin, la société Poly-Shape (Salon de Provence) sera chargée d'identifier des applications industrielles et de fabriquer des pièces modèle.

  • Titre traduit

    Wire and Arc Additive Manufacturing: development and fatigue characterization of 316L steel and TA6V titanium alloy parts


  • Résumé

    The proposed project must contribute to the development of a new additive manufacturing process (FA) allowing the realization of large and complex shape metal parts. The alternative technology adopted, derived from welding processes, is based on the deposition of a molten wire using an electric arc welding torch (MIG-CMT process developed by FRONIUS company https: / /www3.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-6E6E2EB0-7342A297/fronius_france/hs.xsl/32_10110.htm), coupled to a robot. The PhD subject is focused more specifically on the identification of process parameters (energy parameters, shielding gas, layer stacking strategy, etc.) leading to optimal geometrical characteristics and limiting distortions due to residual stresses, and on fatigue characterization of the retained materials (316L steel and TA6V titanium alloy). The first objective of the PhD will be the realization of samples with acceptable geometrical characteristics, that is to say of regular shape (thickness, height of the layers). Studies already conducted at the LMGC have shown that it is possible to obtain such pieces in steel or aluminum alloy. Optimization of the process parameters will be necessary to adapt these results to the studied materials. The choice of the process parameters also determines the microstructures and the mechanical characteristics of the materials obtained. In order to better understand the relationships between process parameters, physical phenomena involved during melting and solidification of the deposited metal wire, and the resulting properties, an instrumentation of the process will have to be carried out, using the tools developed by the LMGC (recording of voltage and intensity of the arc, fast cameras, IR cameras ...). The second objective will be to obtain a fatigue characterization of the manufactured test pieces. The analysis of fatigue tests will require the development of specific protocols to analyze the mechanical behavior of materials at the microstructure scale (identification of thermomechanical behaviors from field measurements). The presence of complex residual stress fields within the specimens may change the fatigue behavior of the materials. Residual stress measurements by X-ray diffraction may help to determine the initial stress state of fatigue specimens, which will be taken into account in the test strip protocol. The research work will be carried out in the Welding team of the LMGC for the manufacturing of the test pieces, and in the Thermomechanical Materials team for the fatigue characterization. Close collaboration is also expected with the other partners working on the same research project: the ICA Institute (Albi) and the LGP Laboratory (Tarbes) are responsible for the fine characterization of the microstructures obtained and the measurement of the residual stresses; the CEMEF Center (Sophia Antipolis) will develop modeling and numerical simulation of the process; Finally, Poly-Shape (Salon de Provence) will be responsible for identifying industrial applications and manufacturing model parts.