Analyse numérique de l'étalabilité d'une poudre métallique : Application au procédé de fabrication additive Laser Beam Melting

Numerical analysis of the spreadability of a metal powder : Application to the Laser Beam Melting additive manufacturing process

• Auteur / Autrice : Kevin Marchais
• Direction : Ivan Iordanoff, Jérémie Girardot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 06/07/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Iordanoff, Jérémie Girardot, Christophe Martin, Marc Thomas, Clara Moriconi, Robin Kromer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Martin, Marc Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie mécanique

Simulation numérique directe

Thèses et écrits académiques

Prototypage rapide

Mots clés libres

Méthode des Éléments Discrets

Fabrication additive

Lit de poudre

Simulation numérique

Comportement granulaire

Étalabilité

Discrete Element Method

Additive manufacturing

Powder bed

Numerical simulation

Granular behabiour

Spreadability

Résumé

Le procédé de fusion laser de lit de poudre est un procédé de fabrication par addition de couches de matière où chaque couche est produite par une phase d'étalement de poudre et une phase de fusion laser. Il s'agit d'un procédé relativement nouveau, en phase de développement pour produire des pièces en métal. Pour continuer à développer le procédé, il faut pouvoir produire des pièces de meilleure qualité, plus rapidement et en plus grande quantité. Pour cela, les paramètres procédé, comme par exemple la vitesse du racleur ou l'épaisseur de couche, peuvent être ajustés pour réduire le temps de production ou encore la qualité de la pièce finale. Le lit de poudre doit être de bonne qualité pour que la phase de fusion laser puisse se dérouler sans défauts. Afin de mieux comprendre l'effet des paramètres procédés sur la qualité du lit de poudre, un modèle numérique a été développé pour simuler le procédé d'étalement de poudre. Afin de réaliser une simulation représentative du comportement réel des grains, il faut pouvoir identifier la valeur des paramètres matériaux de la poudre, en particulier l'adhésion. C'est pourquoi un protocole de caractérisation de l'énergie d'adhésion d'un échantillon de poudre a été développé. Il est basé sur la comparaison entre un essai expérimental et une simulation équivalente. Enfin, une méthode de caractérisation de la qualité du lit de poudre basée sur le calcul de la diffusivité thermique a été développée pour analyser les résultats d'analyses paramétriques. L'analyse de l'effet des paramètres procédé sur la qualité du lit de poudre a notamment permis de montrer, à la différence des règles actuelles, qu'un faible écart-type de la distribution granulométrique permet d'obtenir un meilleur lit de poudre pour de si faibles épaisseurs de couche.

The powder bed laser melting process is an additive manufacturing process where each layer is produced by a powder spreading phase and a lasering phase. To develop the process further, it is necessary to be able to produce parts of better quality, faster and in larger quantities. For this purpose, process parameters such as the spreader speed or the layer thickness can be adjusted to reduce the production time or the final part quality. The powder bed must be of good quality to have a good lasering phase. A numerical model was developed to simulate the powder spreading process and better understand the effect of process parameters on the powder bed quality. To perform a representative simulation of the real behavior of the grains, it is necessary to be able to identify the value of the material parameters of the powder, in particular the adhesion. This is why a protocol for characterizing the adhesion energy of a powder sample has been developed. It is based on the comparison between an experimental test and an equivalent simulation. Finally, a method for characterizing the quality of the powder bed based on the calculation of the thermal diffusivity was developed to analyze the results of parametric analyses. The analysis of the effect of the process parameters on the powder bed quality allowed to show that, unlike the current rules, a low standard deviation of the particle size distribution allows to obtain a better powder bed for such small layer thicknesses.