Optimisation Topologique du Couple Pièce/Support pour la Fabrication Additive sur Lit de Poudre

Topology Optimization of both Part and Support structures for Powder Bed Additive Manufacturing

• Auteur / Autrice : Martin Bihr
• Direction : Grégoire Allaire, Beniamin Bogosel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et informatique
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées de l'Ecole polytechnique (Palaiseau ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tournier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégoire Allaire, Beniamin Bogosel, Francisco Chinesta, Eric Bonnetier, Habibou Maitournam, Éric Charkaluk, Chiara Nardoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francisco Chinesta, Eric Bonnetier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Optimisation topologique

Modèles mathématiques

Optimisation mathématique

Mots clés libres

Optimisation Topologique

Fabrication Additive

Selective Laser Melting

Level-Set

Topology Optimization

Additive Manufacturing

Selective Laser Melting

Level-Set

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'optimisation de la forme et de la topologie de pièces construites en fabrication additive. Les nouveaux procédés de fabrication suscitent beaucoup d'intérêts ces dernières années pour leur capacité à construire des pièces complexes. En particulier la fabrication additive (FA) métallique sur lit de poudre permet aux industries de ne plus être limitées par les contraintes de fabrication conventionnelles (fraisage, moulage,...). Plus spécifiquement, le procède le plus utilisé est le SLM (Selective Laser Melting), où un laser fond le lit de poudre très localement avant qu'un racleur étale une nouvelle couche de poudre après la solidification. Néanmoins, même si ce procédé offre une grande liberté dans le design de la pièce, il possède ses propres contraintes de fabrication. Les forts gradients de température apportés par la chaleur du laser de manière successive à chaque couche contraignent fortement la pièce et peuvent même la déformer lors de la fabrication, ne la rendant plus conforme au design voulu.Une solution est alors de rajouter de la matière autour la pièce, des supports de fabrication, pour maintenir les parties sujettes aux déformations. Ils peuvent être optimisés pour minimiser la matière utilisée, leur temps de fabrication ou de leur retrait. Cependant, il peut être préférable de modifier la géométrie de la pièce plutôt que de rajouter cette matière supplémentaire onéreuse. L’objectif est alors de concevoir une pièce différente qui n'amène pas de défaut de fabrication tout dégradant le moins possible sa performance dans son utilisation finale.L'optimisation de forme est alors une bonne solution pour obtenir des formes fabricables par ce procédé en limitant ces différentes contraintes de fabrication. Pour finir, l'optimisation topologique du couple pièce/support consiste à trouver la forme optimale d'une pièce ainsi que de ses supports, souvent nécessaires à sa fabrication. La structure finale obtenue sera optimisée en termes de coût de fabrication et d'utilisation dans un problème final donné. Pour cela, plusieurs contraintes de fabrication liées à la technologie SLM devront être prises en compte.

This PhD thesis is dedicated to the shape and topology optimization of parts built in additive manufacturing. New manufacturing processes have aroused a lot of interest in recent years for their ability to build complex parts. In particular, metal powder bed additive manufacturing (AM) allows industries to no longer be limited by conventional manufacturing constraints (milling, molding, etc.). More specifically, the most widely used process is the SLM (Selective Laser Melting). A laser melts the bed of powder very locally before a recoater spreads a new layer of powder after solidification. However, even if this process offers a great design freedom, it has its own manufacturing constraints. The strong temperature gradients brought by the heat of the laser successively to each layer strongly constrain the part and can even deform it during manufacture.One solution is then to add material around the part, called manufacturing supports, to ensure its conformity. They can be optimized to minimize the material used, their manufacturing time or their removal. However, it may be better to change the geometry of the part rather than adding this expensive additional material. The objective is then to design a different part that does not lead to manufacturing defects while preserving its performance in its final use.Shape optimization is then a good solution for obtaining part designs that can be manufactured by this process while limiting these various manufacturing constraints. Finally, the topological optimization of the part/support couple consists in finding the optimal shape of a part as well as of its supports, often necessary for its manufacture. The final structure obtained will be optimized in terms of manufacturing cost and performance in a given final problem. For this, several manufacturing constraints related to SLM technology must be taken into account.