Caractérisation et simulation des défauts géométriques induits par les phénomènes thermomécaniques en fabrication additive métallique EBM

Characterization and simulation of geometrical defects induced by thermomechanical phenomena in metal additive manufacturing EBM

• Auteur / Autrice : Soukaina Ghaoui
• Direction : Alex Ballu, François Villeneuve
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 17/03/2021
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Alex Ballu, François Villeneuve, Claire Lartigue, Patrice Peyre, Jean-Yves Dantan, Yann Ledoux, Matthieu Museau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Lartigue, Patrice Peyre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Défauts

Longueur -- Mesure

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

EBM

Défauts géométriques

Métrologie dimensionnelle

Caractérisation expérimentale

Simulation thermomécanique

Additive manufacturing

EBM

Geometrical defects

Dimensional metrology

Experimental characterization

Thermomechanical simulation

Résumé

L’utilisation du procédé de fusion par faisceau d’électrons EBM dans le monde industriel impose la maîtrise de la qualité finale des pièces produites. A l’heure actuelle, certaines géométries de pièces restent difficiles à produire et présentent des défauts géométriques de grandes amplitudes. C’est le cas des géométries en surplomb qui donnent lieu à des défauts de type : perte de bord, warping, etc. La maîtrise de ces défauts nécessite une bonne compréhension des phénomènes thermomécaniques en jeu. L' objet des travaux présentés dans ce manuscrit est d’analyser les principaux phénomènes responsables des défauts des surplombs, grâce à une approche expérimentale et des approches numériques. Dans un premier temps, une analyse approfondie de la chaîne numérique du procédé permet de déterminer les variations des paramètres durant la fabrication (courant et vitesse du faisceau, temps de couches, etc.). Cette connaissance approfondie des paramètres est utilisée par la suite lors de l’analyse expérimentale du procédé et du paramétrage des simulations. Les défauts géométriques de plusieurs lots produits suivant différentes configurations sont caractérisés et analysés. Les paramètres de fabrication influençant les dispersions des défauts sont identifiés, ainsi que les phénomènes thermomécaniques responsables de leur apparition. Ensuite, une simulation thermomécanique détaillée du procédé est mise en place. Elle est basée sur l’activation d’éléments pour reproduire le processus de fabrication additive par balayage et par couches successives. Elle est conduite en deux phases, une phase de simulation purement thermique et une phase de simulation thermomécanique. Cette simulation coûteuse en temps de calcul est complétée par des modèles de simulation rapide, présentés dans la dernière partie du document avec en particulier une méthode réalisée en une seule phase basée sur les courbes de variation de température dans la pièce.

The use of Electron Beam Melting process (EBM) in the industrial scale needs the mastering of the global quality of the produced parts. Nowadays, some part geometries remain challenging to produce and present geometrical defects of large amplitudes. This is the case of overhang geometries that result in defects such as loss of edge, warping, etc. Mastering these defects requires a good understanding of the thermomechanical phenomena that occurs during the manufacturing. The present work analyzes overhang geometries defects through experimental and numerical approaches. Initially, an in-depth analysis of the digital chain allows us to determine the manufacturing process parameters (beam current and speed, layer time, etc.) which are effectively used during the experimental process. Geometrical defects of several batches produced in different configurations are characterized and analyzed. The manufacturing parameters influencing the defects dispersion are identified, as well as the thermomechanical phenomena responsible for their appearance. Then, a detailed thermomechanical simulation of the processis developed using the process parameters identified previously and their evolutions. The simulation is based on the element birth activation technique to represent the addition of new layers. This simulation is done in two steps, a thermal simulation followed by a thermomechanical simulation. Rapid simulation models, derived from the literature, are adapted in the last part of the thesis (inherent strain, etc.). An original model that uses the temperature variation curves is also developed and leads to more accurate simulation results.