Matériaux à caractéristiques contrôlées élaborés par fabrication additive arc-métal

par Lucas Ravix

Projet de thèse en Mécanique numérique et Matériaux

Sous la direction de Michel Bellet et de Charles-André Gandin.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées , en partenariat avec Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) , Structures et Propriétés dans les Procédés de Solidification (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les procédés de fabrication additive (FA) ont connu récemment un très large développement, constituant une révolution dans de nombreux secteurs industriels. Ils offrent ainsi la possibilité de développer des pièces de géométrie complexe, de haute tenue mécanique, dans des délais réduits et avec un gain de matière utilisée appréciable. Cependant, les procédés classiques de FA de pièces métalliques souffrent du coût prohibitif des matières premières, sous forme de poudres, et de taux de dépôt faibles, allongeant les délais de réalisation, et limitant les dimensions des pièces élaborées. Dans ce cadre, le projet MACCADAM vise à favoriser l'industrialisation d'un nouveau procédé de fabrication additive arc-métal dérivé du soudage et basé sur le dépôt de couches successives d'un fil fondu à l'arc électrique. Ce procédé original se distingue des autres procédés traditionnels de FA en permettant des taux de matière déposée importants et l'utilisation de produits massifs, de coût réduit et d'usage aisé. MACCADAM souhaite ainsi lever plusieurs verrous limitant encore aujourd'hui l'usage et la diffusion de ce procédé novateur. Ce projet se propose 1) d'identifier les applications potentielles de ce nouveau procédé à partir d'une analyse comparative des caractéristiques respectives du procédé arc-métal et des autres procédés de fabrication de pièces métalliques, 2) d'identifier les 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, pour deux matériaux retenus pour leur intérêt industriel (acier inoxydable 316L et alliage de titane TA6V), 3) de réaliser une caractérisation microstructurale et de tenue en fatigue des matériaux afin de connaître les propriétés d'usage des pièces produites en fonction des paramètres de fabrication employés, et 4) de modéliser le processus de solidification des dépôts afin de prédire par simulation numérique les microstructures formées et le comportement mécanique associé. MACCADAM regroupe des partenaires académiques et industriels spécialisés dans les procédés de fabrication additive (LMGC, Poly-Shape), dans la caractérisation des matériaux (ICA, LGP, LMGC) et dans la modélisation et la simulation numérique des procédés d'élaboration des matériaux métalliques (CEMEF). MACCADAM vise, à terme, à diffuser dans le monde industriel ce procédé, dans un cadre de réalisation maîtrisé, garantissant la production de pièces à haute performance en termes de tenue en service pour un coût réduit

  • Titre traduit

    Controlled characteristics materials produced by wire & arc additive manufacturing


  • Résumé

    In the last past years, Additive Manufacturing (AM) processes have been intensively developed leading to a revolution in many industrial sectors. These processes offer the possibility of developing parts of complex geometry and high mechanical strength, with short manufacturing times and with important raw material saving. However, conventional metallic AM processes suffer from the prohibitive cost of raw materials, in a powder form, and low deposition rates, increasing manufacturing times and limiting the dimensions of the produced parts. In this context, the MACCADAM project aims to promote the industrialization of a new arc-metal additive manufacturing process derived from welding and based on the deposition of successive layers of a metallic wire melted with an electric arc. This original process differs from other traditional AM processes by allowing high material deposit rates and the use of low cost and easy to use massive products. MACCADAM proposes to solve several issues that still limit the use and diffusion of this innovative process. The aim of this project is to : 1) identify potential applications of this new process based on a comparative analysis of the respective characteristics of the arc-metal process and the other AM processes; 2) identify the process parameters (electric parameters, protective gas, layer stacking strategy ...) leading to optimal geometrical characteristics and limiting the distortions due to residual stresses, for two materials chosen for their industrial interest (316L stainless steel and TA6V titanium alloy); 3) carry out a microstructural and fatigue resistance characterization of the materials in order to assess the parts mechanical properties according to the manufacturing parameters set; 4) model the solidification process of the deposits in order to predict the microstructures and associated mechanical behavior with numerical simulations. MACCADAM gathers academic and industrial partners specialized in the fields of additive manufacturing processes (LMGC, Poly-Shape), materials characterization (ICA, LGP, LMGC) as well as modeling and numerical simulation of forming and manufacturing processes of metallic materials (CEMEF). Ultimately, MACCADAM intends to promote the diffusion of this new process in the industrial world, within a controlled framework, to guarantee the production of high performance parts at a reduced cost.