Modélisation magnéto-thermohydraulique de procédés de fabrication additive arc-fil (WAAM)

Magneto-thermohydraulic modeling of Wire Arc Additive Manufacturing process (WAAM)

• Auteur / Autrice : Stephen Cadiou
• Direction : Muriel Carin, Mickaël Courtois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, thermique et combustion
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Michel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Le Masson, Guillaume Rückert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Bordreuil, Frédéric Roger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Acier inoxydable

Mots clés libres

Simulation multiphysique

Détachement de goutte

CMT

Modèle de plasma d’arc

MIG pulsé

Multiphysics simulation

Stainless steel

Drop detachment

Level set

Pulsed MIG

Résumé

Un des freins au développement des procédés de fabrication additive réside dans la qualité des pièces ainsi fabriquées. Certains défauts, tels que des porosités ou des déformations peuvent apparaître. Ces défauts sont étroitement liés au choix des paramètres opératoires et à l’histoire thermique subit lors de la fabrication. La modélisation numérique peut donc aider à comprendre comment ces paramètres opératoires influent sur la géométrie du dépôt, et sur les cinétiques thermiques qui conditionneront la microstructure et les déformations de la pièce finale. Dans cette thèse, plusieurs modèles numériques de complexité croissante ont été développés afin de mieux appréhender l’état final de la pièce. La première étape a consisté à développer un modèle d’arc représentant un tir statique TIG en 2D axisymétrique. Les équations électromagnétiques, thermiques, et hydrodynamiques sont résolues dans le plasma et le bain de fusion. Ce cas de référence a permis de valider les choix faits pour la description mathématique et numérique. Ensuite, le modèle est complexifié en ajoutant une méthode level set pour le suivi des interfaces mobiles permettant la description du procédé MIG pulsé dans une configuration axisymétrique. Après avoir été validé grâce à des expériences, le modèle est transposé en 3D pour décrire la fabrication d’un mur à l’échelle du bain de fusion avec le procédé CMT. Enfin, le modèle est simplifié en ne résolvant que le transfert de chaleur afin de décrire les transferts thermiques à l’échelle d’une pièce complète.

One of the obstacles to the development of additive manufacturing processes is the quality of the built parts. Some defects, such as porosity, deformations or cracks, may appear. These defects depend strongly on the choice of operating parameters. Numerical modelling can therefore help to understand how these operating parameters control the final geometry, and the thermal cycles experienced by the material, which impact the microstructure, the deformations and residual stresses of the final part. In this thesis, several numerical models have been developped in order to better understand the final characteristics of the part. The first one concerns a 2D axial-symmetric model of arc to deal with a static TIG process. The Maxwell equations coupled with the mass, momentum, energy equations are solved in the plasma and the melt pool. Using this reference case, the arc model has been validated. This model has been made more complex by adding a level set method to track the gas-liquid interface present in pulsed MIG process in 2D axial-symmetric geometry. This model has been validated through experimental data and then extended to a 3D geometry to simulate the build-up of a wall using a CMT process. This multiphysics model was limited to the scale of the melt pool. A second 3D model was then proposed at the scale of the wall using a purely thermal model to simulate the multi-layer process with geometry prediction