Contributions à la définition de règles de fabrication pour le procédé DED-LP par une approche thermique et géométrique

Contribution to the definition of manufacturing rules for the DED-LP process by a thermal and geometrical approach

• Auteur / Autrice : Cécile Leroy-Dubief
• Direction : Pierre Joyot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 28/04/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Carin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Morgan Dal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Habraken, Piotr Breitkopf
• DOI : 10.70675/9366f316zfed6z4cd5z98bfz6de1f48782bb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Procédés de fabrication

Poudres métalliques

Modélisation comportementale (électronique)

Mots clés libres

Fabrication additive métallique

DED-LP

Comportement géométrique

Modèle semi-Analytique

Histoire thermique

Modèle hybride MEF-POD

Metal additive manufacturing

DED-LP process

Geometric behaviour

Semi-Analytical model

Thermal history

FEM-POD hybrid model

Résumé

La fabrication additive métallique est un enjeu phare de l’industrie du futur. La technologie Directed Energy Deposition-Laser Poudre (DED-LP) consiste à projeter de la poudre métallique dans un bain de fusion, entretenu par un faisceau laser qui se déplace, couche après couche, façonnant ainsi la pièce. Pour atteindre le point de fusion des métaux, un fort apport local d’énergie est nécessaire, impliquant de nombreux phénomènes thermiques à différentes échelles. Le procédé DED-LP peut conduire à un dépôt de couches de hauteur irrégulière, induisant de ce fait des conditions thermiques bien différentes d'une couche à l'autre, malgré des paramètres de consigne inchangés. Cette non-uniformité des couches peut être imputée aux phénomènes d'autorégulation et de divergence inhérents au procédé. Ils sont pilotés par deux paramètres connexes (distance de travail et incrément en z) très peu étudiés bien qu’ils jouent un rôle majeur dans la hauteur finale de la pièce. Afin de maîtriser l’évolution de cette dernière selon la configuration de fabrication employée, un modèle géométrique est développé et permet de dégager des règles de fabrication. Il doit cependant être complété par une approche thermique permettant d'anticiper des défauts critiques pour la réalisation de la pièce ou pour la santé du matériau obtenu. Il est à ce titre nécessaire de prédire l'histoire thermique en amont de la fabrication de la pièce. Cependant le temps de calcul déjà conséquent pour des petites pièces devient considérable pour des pièces de grandes dimensions. Pour pallier cet inconvénient, un modèle hybride d’éléments finis (MEF) et de décomposition orthogonale propre (POD) est implémenté afin d’exploiter au maximum les comportements thermiques induits par le caractère répétitif du procédé. Ces outils numériques (une fois validés par des données expérimentales) permettent de modéliser le comportement thermo-géométrique du procédé DED-LP et ainsi préconiser des paramètres et stratégies de fabrication

Metal additive manufacturing is a key issue for the industry of the future. Directed Energy Deposition-Laser Powder (DED-LP) technology consists of projecting metal powder into a melt pool, maintained by a laser beam that moves, layer after layer, thus shaping the part. To reach the melting point of the metals, a strong local energy input is necessary, involving several thermal phenomena at different scales. DED-LP process can lead to the deposition of layers of irregular height, thus inducing very different thermal conditions from one layer to another, despite unchanged set parameters. This non-uniformity of the layers can be attributed to the self-regulation and divergence phenomena inherent to the process. They are controlled by two related parameters (working distance and z-increment) which have been little studied although they play a major role in the final height of the part. In order to control the evolution of the latter according to the manufacturing configuration used, a geometric model was developed and allows manufacturing rules to be established. However, it must be supplemented by a thermal approach to anticipate critical defects for the part production or for the health of the material obtained. In this respect, it is necessary to predict the thermal history upstream of the part manufacture. However, calculation time, already significant for small parts, becomes considerable for large parts. To overcome this drawback, a hybrid finite element model (FEM) and proper orthogonal decomposition (POD) is implemented in order to exploit to the maximum the thermal behaviour induced by the repetitive nature of the process. These numerical tools (once validated by experimental data) allow the modelling of the thermo-geometric behaviour of the DED-LP process and thus recommend manufacturing parameters and strategies.