Modélisation numérique thermomécanique de fabrication additive par fusion sélective de lit de poudre par laser : Application aux matériaux céramiques

Thermomechanical numerical modelling of additive manufacturing by selective laser melting of powder bed : Application to ceramic materials

• Auteur / Autrice : Qiang Chen
• Direction : Michel Bellet, Charles-André Gandin, Gildas Guillemot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 10/04/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Peyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Bellet, Charles-André Gandin, Gildas Guillemot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michele Chiumenti, Muriel Carin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux

Mots clés libres

Fabrication additive

Modélisation

Level set

Eléments finis

Dynamiques des fluides

Mécanique des solides

Additive manufacturing

Modelling

Level set

Finite elements

Fluid mechanics

Solid mechanics

Résumé

L'application du procédé SLM est limitée par la difficulté à contrôler le procédé. Son application aux céramiques est particulièrement difficile en raison de leur faible absorption au laser et de leur faible résistance au choc thermique. La maîtrise de ce procédé nécessite une compréhension complète du transfert de chaleur, de la dynamique des fluides et de la mécanique des solides. Dans ce travail, nous proposons un modèle numérique pour la simulation du procédé SLM appliqué aux céramiques. Le modèle est développé à l'échelle du cordon et avec l'hypothèse d'un lit de poudre continu. Il est basé sur la méthode level set et l'homogénéisation multiphasique, avec laquelle nous sommes capables de suivre l'évolution de l'interface gaz/matière et les transformations de phase. La simulation dévelopée permet d'étudier l'influence des propriétés du matériau et des paramètres du procédé sur la température, la forme du bain liquide, la dynamique des fluides et la mécanique des solides. En dehors de la puissance du laser et de la vitesse de balayage, l'absorption du matériau est également importante pour la thermique et la forme du bain liquide. Avec la dynamique des fluides, la forme convexe du cordon est obtenue sous tension de surface. Les gouttelettes liquides se forment lors de la fusion de la poudre et créent une instabilité du bain. Ceci entraîne une irrégularité du cordon après solidification. L'effet Marangoni, provoqué par le gradient surfacique de la tension de surface, est étudié. Son influence sur la répartition de la température, la forme du bain liquide et la régularité du cordon est évoquée. Cet effet peut lisser la surface du cordon avec ∂γ/∂T négatif. En augmentant la vitesse de balayage, la surface du cordon devient plus irrégulière. L'effet de « balling » est reproduit avec une vitesse de balayage élevée. Cela peut être utile pour trouver le régime donnant une forme de cordon régulière étant données la puissance et la vitesse du laser. Le défaut de fissuration est délétère dans la fabrication additive. L'utilisation d'un laser auxiliaire peut aider à éviter ce défaut en diminuant la contrainte de traction maximale. Le mode de fonctionnement de ce laser auxiliaire reste un sujet intéressant à étudier et quelques pistes ont été données par les simulations présentées. Le modèle est validé par la comparaison de la forme du bain liquide avec des expériences dans différentes conditions de procédé. Les simulations peuvent également révéler la tendance de variation de la surface du cordon dans certains cas. Par la simulation de la déposition de cordons multiples, l'influence de taux de recouvrement sur la surface d'une couche, la température et l'évolution de contrainte est soulignée.

The application of SLM process is limited by the difficulty of process control. Its application to ceramics is especially challengeable due to their weak absorption to laser and weak resistance to thermal shock. The mastery of this process requires a full understanding of heat transfer, fluid dynamics in melt pool and solid mechanics. In this work, we propose a numerical model for the simulation of SLM process applied to ceramics. The model is developed at the track scale and with the assumption of continuous powder bed. It is based on level set method and multiphase homogenization, with which we are able to follow the evolution of gas/material interface and phase transformation. Simulations are performed to study the influence of material properties and process parameters on temperature, melt pool shape, fluid dynamics and solid mechanics. Apart from the laser power and scanning speed, material absorption is also found to be important to the thermal behavior and the melt pool shape. With the fluid dynamics, convex shape of track cross section is achieved under surface tension. Besides that, liquid droplets collapsing formed by the melting of powder create melt pool instability when falling, thus leading to track irregularity after solidification. The Marangoni effect, caused by surface tension gradient at gas/material interface, is investigated. Its influence on temperature distribution, melt pool shape and track regularity is recognized. One interesting finding is the smoothing effect of track surface with negative ∂γ/∂T. When combine surface tension with scanning speed, track surface becomes more irregular with the increase of scanning speed. The well-known balling effect is reproduced with high scanning speed. This can be helpful to find the regime for regular track shape with given laser power and scanning speed. Cracking defect is deleterious in additive manufacturing. The use of an auxiliary laser can help to avoid this defect by decreasing the maximum tensile stress. The process mode of this auxiliary laser remains an interesting subject to be studied and some guidelines have been given by the presented simulations. The model is validated by the comparison of melt pool shape with experiments under different process conditions. Simulations can also reveal the tendency of track surface variation for certain cases. By the application to multi-track deposition, the influence of hatch distance on layer surface, temperature and stress evolution is emphasized.