Evaluation et optimisation des stratégies de dépôt en fabrication additive arc-fil basée sur la simulation

Simulation Based deposition Strategies Evaluation and Optimization in Wire Arc Additive Manufacturing

• Auteur / Autrice : Mohammed Akram Chergui
• Direction : Frédéric Vignat, François Villeneuve
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Industriel conception et production
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble, Isère, France ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Bordreuil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Elguedj
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cyril Bordreuil, Sylvain Lavernhe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

CFAO, Systèmes de

Mots clés libres

Fabrication assistée par ordinateur

Waam

Simulation thermique

Computer aided manufacturing

Waam

Thermal simulation

Résumé

Le Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) est le procédé de fabrication additive permettant d’obtenir de grandes pièces par empilement successif de cordons de soudure, au moyen des technologies de soudage à l’arc. La fabrication additive arc-fil emploie une énergie électrique pour mettre en fusion un fil d’apport, et permet notamment des taux de déposition élevés dans un grand espace de travail. Cependant, la qualité des pièces fabriquées par WAAM est grandement affectée par les différents phénomènes thermiques présents au cours de la fabrication, tels que l'accumulation de chaleur, et les champs de températures non uniformes. La qualité des pièces fabriquées peut être évaluée sous deux aspects, la précision géométrique et la santé matière, et peut varier considérablement en fonction de la stratégie de dépôt choisie, car elle façonne l'historique thermique de la pièce au cours du processus de fabrication. La simulation numérique reste un outil efficace pour aborder ces questions. Dans cette thèse, un modèle éléments finis est développé afin d'étudier le comportement thermique du procédé WAAM. Ce modèle est basé sur une nouvelle technique de modélisation du dépôt de métal. Cette dernière permet de construire progressivement le maillage représentant les régions déposées le long de la trajéctoire du dépôt, en prenant en considération la distribution de l'énergie entre le métal d'apport et le bain de fusion, ainsi que le changement des conditions aux limites. Ensuite, un ensemble de critères thermiques de qualité est développé grace au modèle d'éléments finis proposé, permettant une meilleure prédiction des différents défauts affectant la qualité des pièces WAAM. Enfin, une méthode d'optimisation basée sur la simulation est proposée afin d'optimiser les stratégies de dépôt du procédé WAAM, dans le but d'améliorer la qualité des pièces fabriquées. Dans cette méthode, l'historique thermique souhaité de la pièce est dicté en ajustant les paramètres de la stratégie de dépôt le long de la trajetoire de dépôt. Les stratégies optimisées sont déterminées à l'aide de la simulation thermique précédemment développée, par rapport aux différents critères thermiques de qualité. La méthode globale est validée par une série d'expériences, et s'est avérée efficace pour assurer une qualité constante et fiable dans une production par WAAM.

Wire arc additive manufacturing (WAAM) enables the production of metallic parts by depositing beads of weld metal, layer-by-layer, using arc-welding technologies. Combined of an electrical arc as a heat source and a wire as feedstock, this technology has the ability to manufacture large parts at a high deposition rate. However, the quality of the obtained parts is greatly affected by the various thermal phenomena present during the deposition process such as heat accumulation, re-heating cycles, and changing substrate temperature. The quality of the fabricated parts can be evaluated from two aspects, the geometric accuracy and the material integrity, and can vary drastically depending on the deposition strategy chosen, because it shapes the part’s thermal history during the manufacturing process. Numerical simulation remains an effective tool in order to tackle such issues. In this thesis, a thermal finite element model is built in order to investigate the thermal behavior in WAAM process, based on a novel metal deposition technique. This latter allows to gradually construct the mesh representing the deposited regions along the deposition path, taking into consideration the energy distribution between filler material and the molten pool, as well as the changing in the boundary conditions. Then, a set of thermal quality criteria are developed based on the proposed finite element model, allowing a better prediction of the different defects in WAAM parts. Finally, a simulation-based optimization method is proposed in order to optimize deposition strategies in WAAM process, with the aim of improving the quality of the fabricated parts. In this method, the part’s desired thermal history is dictated by adjusting the deposition strategy parameters along the deposition path. The optimized strategies are determined using the previously developed thermal simulation, with respect to the different thermal quality criteria. The overall method is validated by series of experiments, and has proven effective in ensuring consistent and accurate quality in WAAM production.