Simulation du procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques par fusion laser de poudre

Simulation of the selective laser sintering process on thermoplastic powder

• Auteur / Autrice : Denis Defauchy
• Direction : Gilles Régnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 19/04/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Francisco Chinesta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Régnier, Amine Ammar, Patrice Peyre, Gilles Surdon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Schmidt, Luc Chevalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoplastiques

Soudage laser

Polymères

Mots clés libres

Simulation

Fusion

Laser

Sélective

Thermoplastique

Polymère

Simulation

Melting

Laser

Selective

Thermoplastic

Polylmer

Résumé

Le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques est un procédé innovant qui permet de créer sans outillage, à partir d'une modélisation géométrique numérique, des pièces de géométrie complexe en quelques heures. La fabrication dite additive est réalisée par étalement successif de couches de poudre thermoplastique de quelques dizaines de micromètres, dont une partie est fondue sous rayonnement laser et refroidie lentement afin de permettre la densification de la poudre par diffusion de l'air emprisonné. La résistance mécanique finale du matériau dépend fortement de cette densification. Un grand nombre de paramètres procédé et matériau influencent les mécanismes physiques mis en jeu qui sont contrôlés par la thermique du procédé. La clé de la maîtrise de ce procédé réside dans la parfaite maîtrise de la thermique du lit de poudre. Cette étude a pour objectif de modéliser le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques haute température de type PEEK. Dans un premier temps, une simulation microscopique de la fusion laser d'un lit de poudre préchauffé et de la coalescence des grains est développée à l'aide de la méthode C-NEM implémentée sur le logiciel Matlab. Les cycles thermiques, la densification et le soudage des grains sont étudiés en fonction des paramètres matériau et procédé. Dans un second temps, l'étude de la thermique d'une couche de poudre à l'état liquide refroidie par apport d'une nouvelle couche de poudre par-dessus est menée à l'aide d'un logiciel éléments finis commercial. L'objectif est de définir les conditions d'étalement permettant au polymère fondu de rester à l'état liquide.

Direct manufacturing technology using Selective Laser Sintering of thermoplastic powder allows obtaining final parts in a short time, with a high degree of geometry flexibility and evolution. Parts are built layer by layer, a specific area of each layer is melted by the laser radiation and the whole part is cooled down slowly to induce a good densification, permitting the gas diffusion through the melted material. The mechanical properties of parts made by this process highly depend on the final polymer density. A lot of process and material parameters control the parts properties. The key of the process master lies in its perfect thermal control. The aim of this work is to model the selective laser sintering process for high temperature polymers like PEEK at two scales. Firstly, a microscopic simulation of the melting and the grain coalescence of preheated polymer powder bed is performed using the C-NEM method implemented on Matlab. This tool allows to study the material thermal cycles, the powder densification and the welding quality of grains for different material and process parameters. Then, the thermal study of the additional powder layer spreading on the melted layer is performed on a commercial finite element software. This study aims to determine the good spreading conditions allowing the melted material not to decrease below its crystallization temperature to enhance material densification.