Fabrication additive par arc électrique : règles méthodes pour l’élaboration de pièces brutes en vue de leur parachèvement par usinage

Wire arc additive manufacturing : methodological guidelines for the generation of raw components with a view to their machining finishing

• Auteur / Autrice : Mohamed Belhadj
• Direction : Philippe Darnis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 11/01/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Walter Rubio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodolphe Bolot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tarek Mabrouki, Cyril Bordreuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage électrique

Procédés de fabrication

Propriétés thermomécaniques

Matériaux

Usinage

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive arc-fil

Paramètres procédé

Parachèvement par usinage

Modélisation thermomécanique

Wire arc additive manufacturing

Process parameters

Machining finishing

Thermomechanical modeling

Résumé

La Fabrication Additive Arc-Fil (Wire Arc Additive Manufacturing) est une technologie de fabrication qui utilise du fil métallique comme matière première et un arc électrique comme source d’énergie. Le fil est déposé à une vitesse prédéfinie et fusionné grâce à l'arc électrique, soit sur un substrat, soit sur une couche préexistante. Cette recherche se concentre sur l'utilisation du procédé Cold Metal Transfer (CMT) appliqué à l'acier inoxydable austénitique 316L. Bien que cette technologie soit couramment employée avec succès pour la réparation, le défi actuel réside dans la production en série de pièces fonctionnelles, nécessitant ainsi la résolution de problèmes de conception et de fabrication spécifiques.Le premier objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact des paramètres du procédé, en particulier la vitesse d'avance et le temps d'inter-passe, sur les dimensions, la qualité de surface des pièces et sur le parachèvement par usinage. Pour ce faire, un plan d'expériences a été mis en place, impliquant la fabrication de murs multicouches et multi cordons sur un substrat monté sur un support en aluminium. Ensuite, une face de chaque mur fabriqué a été usinée afin de déterminer la profondeur d'usinage nécessaire pour obtenir une surface exempte d'ondulations, et d'analyser la rugosité de surface ainsi que la dureté de ces zones. Enfin, une nouvelle méthode de recouvrement a été développée.Le deuxième objectif consiste à exploiter les résultats obtenus pour développer des méthodes et des règles permettant de passer de la conception 3D à la réalisation d'une pièce finale. Ces méthodes s’appuient sur une phase de fabrication additive et une phase de parachèvement par usinage. Ce processus vise à éliminer les dispersions géométriques et d’état de surface inhérentes au procédé WAAM, à déterminer la surépaisseur d’usinage nécessaire, et à intégrer les problématiques liées aux contraintes générées par le procédé primaire.Le dernier objectif est de comprendre les mécanismes de génération des contraintes résiduelles et des déformations induites par le procédé primaire. Pour ce faire, une modélisation thermomécanique du procédé a été développée. Elle a mis en évidence l'influence de la vitesse d'avance et du temps d'inter-passe sur le comportement thermomécanique.

Wire Arc Additive Manufacturing is a manufacturing technology that uses metal wire as the raw material and an electric arc as the energy source. The wire is deposited at a predefined rate and fused by the arc, either onto a substrate or onto a pre-existing layer. This research focuses on the use of the Cold Metal Transfer (CMT) process applied to austenitic 316L stainless steel. While this technology is widely and successfully used for repair, the current challenge lies in the mass production of functional parts, requiring the resolution of specific design and manufacturing issues.The first objective of this thesis is to evaluate the impact of process parameters, in particular travel speed and interpass time, on part dimensions, surface quality and machining finish. To accomplish this, a design of experiments was set up, involving the manufacture of multi-layer, multi-bead walls on a substrate mounted on an aluminum support. Next, one face of each fabricated wall was machined to determine the machining depth required to achieve a waviness-free surface, and to analyze the surface roughness and hardness of these areas. Finally, a new overlapping method was developed.The second objective is to use the results obtained to develop methods and rules for moving from 3D design to the production of a final part. These methods rely on an additive manufacturing phase and a machining finishing phase. This process aims to eliminate geometric and surface finish variations inherent to the WAAM process, determine the necessary machining allowance, and incorporate issues related to the primary process.The final objective is to understand the mechanisms behind the generation of residual stresses and deformations induced by the primary process. To achieve this, a thermomechanical modeling of the process was developed, highlighting the influence of Travel speed and interpass time on the thermomechanical behavior.