Étude thermomécanique du procédé de fabrication métallique arc-fil : approche numérique et expérimentale

Thermo-mechanical analysis of Wire and Arc Additive Manufacturing process : numerical and experimental approach

• Auteur / Autrice : Camille Cambon
• Direction : Fabien Soulié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Génie Civil
• Date : Soutenance le 28/05/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sallamand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Soulié, Pierre Sallamand, Éric Lacoste, Sébastien Rouquette, Issam Bendaoud, Pascal Paillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lacoste

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fil métallique

Traitement thermomécanique

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Modélisation

Simulation numérique

Loi de comportement élasto-Plastique

Paramètres procédé

Contraintes résiduelles

Déformations inhérentes

Modelling

Numerical simulation

Elastoplastic constitutive relation

Process parameters

Residual stress

Inherent strain

Résumé

La fabrication additive, en complément des techniques de fabrication traditionnelles, procède par ajout de matière pour la construction de pièces mécaniques. Parmi les différents procédés de fabrication additive existant, cette thèse s’intéresse tout particulièrement au procédé de fabrication additive arc métal désigné également par l’acronyme anglais WAAM qui signifie Wire Arc additive Manufacturing. Celui-ci se base sur les technologies du soudage pour fabriquer des pièces par empilements successifs de cordons de soudure. Sa mise en œuvre est donc peu coûteuse et déjà bien maîtrisée dans le domaine du soudage industriel. Le métal d’apport se présente sous forme de fil métallique et est fondu par un arc électrique délivré par une torche de soudage GMAW (Gaz Metal Arc Welding) avec un mode de transfert CMT (Cold Metal Transfer). Cette dernière est montée sur un bras robotisé multi axes qui exécute les trajectoires de dépôt. Ce type de configuration ne contraint pas la taille des pièces à fabriquer, ce qui représente un véritable atout pour la fabrication de pièces de grandes dimensions comme c’est le cas dans le secteur de l’aéronautique. Le WAAM présente cependant un verrou technologique majeur qui limite actuellement son implémentation sur les chaîne de production. En effet, la mise en fusion du métal génère des dilatations et contractions successives du métal qui engendrent la formation de contraintes résiduelles et de déformations dans la pièce finale. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la génération de ces contraintes résiduelles et de ces déformations au cours du procédé par une approche numérique couplée à une approche expérimentale. Pour cela, une configuration de dépôt spécifique est étudiée. Cette dernière consiste à déposer un cordon sur l’épaisseur d’une plaque maintenue uniquement sur l’une de ses extrémités. En laissant les autres bords libres les contraintes liées au bridage sont peu influentes. Compte-tenu de cette configuration, le modèle thermomécanique mis en place est bidimensionnel et il est traité sous l’hypothèse des contraintes planes. L’ajout de matière est considéré au fur et à mesure de la construction du cordon avec une méthode de maillage adaptée. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales relevées en cours de procédé ou en post-procédé afin de discuter la validité du modèle. L’autre objectif de cette thèse est de mettre en évidence l’influence des paramètres procédé sur le comportement thermomécanique des pièces fabriquées. Pour cela, trois jeux différents de paramètres procédés sont définis en fonction de l’énergie linéique de dépôt mise en jeu. Les différences et similitudes constatées numériquement et expérimentalement, aussi bien au niveau des champs thermiques que des champs mécaniques, sont discutées. Enfin, le dernier objectif de cette thèse est de construire un modèle de Déformations Inhérentes qui permette d’estimer rapidement les niveaux de contraintes résiduelles et de déformations pour n’importe quelle structure 3D réalisée avec des paramètres procédés déterminés. Pour cela, une analyse des déformations plastiques obtenues avec la modélisation thermomécanique est réalisée. Ces dernières sont ensuite implémentées comme données d’entrée dans un modèle de Déformations Inhérentes avec la configuration étudiée. La répartition et les niveaux des contraintes résiduelles ainsi que la déformée globale de la pièce obtenus pour le modèle thermomécanique et le modèle de Déformations Inhérentes sont comparés et discutés.

Additive manufacturing, in addition to traditional manufacturing processes, consists of adding material, layer by layer,to build mechanical parts. Among the various existing additive manufacturing processes, this thesis focuses on the Wire and Arc Additive Manufacturing process (WAAM). This process is based on welding technologies to manufacture parts by successive stacks of weld beads. Compared to other additive processes, its implementation is cheaper and welding professionals have an expert knowledge of this process. The filler metal consists in a metal wire melted with an electric arc delivered by a GMAW (Gaz Metal Arc Welding) welding torch operating under CMT (Cold Metal Transfer) mode. The welding torch is mounted on a multi-axis robotic arm which executes the deposit trajectories. This type of configuration does not constrain the size of the parts, which is a real advantage for building large parts like in the aeronautics sector. However, WAAM presents a major technological issue which currently limits its implementation on production lines. Indeed, the melting of the metal generates successive expansions and contractions of the material which generate residual stresses and deformations in the final part. The first objective of this thesis is to understand the generation of these residual stresses and deformations during the process by a numerical approach coupled with an experimental approach. For this, a specific experimental setup is studied. It consists of depositing the melted filler wire on the thickness of a plate held vertically along its length. The specimen is clamped on one side while the others are totally free in order to minimiez the clamping effect. According to this setup, the thermomechanical model is two-dimensional and solved under plane stress assumption. The addition of material is taken into account during the deposition process with a suitable mesh method. The numerical results are compared to experimental data recorded in-situ or ex-situ in order to validate the model. The other objective of this thesis is to highlight the influence of process parameters on the thermomechanical behavior of manufactured parts. Then, three different sets of process parameters are defined based on the linear welding energy. The numerically and experimentally results, are discussed for both thermal and mechanical fields,. Finally, the last objective of this thesis is to implement an Inherent Strain model which allows to quickly estimate the levels of residual stresses and deformations for any 3D structure according to the process parameters used. Thus, an analysis of the plastic strains calculated with the thermomechanical simulation is done. Afterwards, the plastic strain fields are introduced as input data in a Inherent Strain model for the investigated case. The residual stress field as well as the global deformation of the part obtained with the Inherent Strain model are compared to the one computed with the thermomechanical model and discussed.