De l'importance de modéliser l'histoire thermique à différentes échelles en fusion laser sur lit de poudre, afin de prévoir et améliorer la qualité des pièces

On the importance of modelling the laser powder bed fusion process thermal history at different scales, to predict and enhance the quality of parts

• Auteur / Autrice : Yves Bresson
• Direction : Lionel Arnaud, Maher Baili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique, Mécanique des Matériaux
• Date : Soutenance le 01/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Hascoët
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Arnaud, Maher Baili, Jean-Yves Hascoët, Amèvi Tongne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Abisset, Cyril Bordreuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation globale

Contamination

Soudage laser

Mots clés libres

Fabrication additive métallique

Simulation thermique

Éléments finis multi-échelles

Rupture des supports

Oxydation

Poudres métalliques

Metal additive manufacturing

Thermal simulation

Multiscale finite element method

Supports breakage

Oxidation

Metallic powders

Résumé

L’adoption de la fabrication additive (FA), comme moyen de production de pièces en série, s’accélère dans le tissu industriel français. Parmi les méthodes de FA, le procédé fusion laser sur lit de poudre métallique est le plus mature. Malgré la maîtrise croissante du procédé par les industriels, celui-ci reste complexe avec des phénomènes multi-physiques intervenant à des échelles d’espace et de temps très différentes. Dans cette thèse,l’importance du rôle de l’histoire thermique est démontrée au travers de deux études distinctes, et une méthode numérique basée sur les éléments finis avec le logiciel Abaqus pour simuler l’histoire thermique aux diverses échelles a été proposée. La première étude visait à identifier le facteur majeur de contamination des poudres et des pièces avec l’utilisation, et de déterminer à quel moment cette contamination intervenait. Il a été montré que le recyclage et la manipulation de la poudre ne conduisaient pas en eux-mêmes à une augmentation significative du taux d’oxygène. En revanche, la chaleur apportée durant le procédé (par le plateau et le laser) s’accompagnait d’une augmentation sensible de la quantité d’oxygène dans les échantillons solides. Il est supposé que les scories générées durant le procédé ont un rôle majeur dans cette élévation du taux d’oxygène, et des stratégies pour réduire le nombre de scories ont été explorées. La deuxième étude visait à simuler par éléments finis l’endommagement et la rupture d’un certain type de supports, sans avoir à diminuer la taille du maillage, ce qui en pratique aurait été hors de portée. Des éléments 1D ont été proposés pour mailler ces supports, et une étude de cas a été réalisée avec une pièce industrielle. Les étapes de caractérisation mécanique des supports ont montré que les structures fines isolées dans la poudre lors du procédé avaient un comportement mécanique différent des pièces solides. Il a été supposé que l’histoire thermique spécifique à ces structures était responsable de la différence entre ces comportements mécaniques. De plus, certaines limitations liées à la construction d’éprouvettes de type dent de supports, et leur caractérisation expérimentale ont été identifiées. Dans la dernière partie,qui représente le cœur de la thèse, une méthode éléments finis multi-échelles à cinq niveaux a été développée. La méthode permet de simuler l’histoire thermique à l’endroit et à l’instant choisi, et elle est pilotée par tous les paramètres procédé, du plateau complet aux motifs de lasage jusqu’à l’échelle d’un vecteur laser. L’objectif de la méthode est d’utiliser les champs de températures hétérogènes simulés aux échelles plus macro comme conditions initiales et conditions aux limites des échelles plus micro. L’évolution temporelle et spatiale des erreursliées à l’utilisation de l’hypothèse macro-couche ont été étudiées analytiquement. Cette méthode peut être utilisée pour détecter les régions avec de potentielles porosités, engendrées par des températures extrêmes, et pour optimiser les paramètres du procédé en vue d’homogénéiser les champs de température durant la construction de la pièce. Cette méthode, construite de façon générique, est potentiellement applicable aux autres procédés de FA avec apport de chaleur.

The adoption of additive manufacturing (AM), as a means of mass production of parts, is accelerating inthe French industry. Among the AM methods, the laser powder bed fusion process is the most mature. Des-pite the growing mastery of the process by manufacturers, it remains complex with multi-physical phenomenaoccurring on very different space and time scales. In this thesis, the importance of the role of thermal historyis demonstrated through two separate studies; and a numerical method based on finite elements with Abaqussoftware to simulate thermal history at various scales has been proposed. The first study aimed to identify themajor factor of contamination of powders and parts with use, and to determine when this contamination oc-curred. It has been shown that the recycling and handling of the powder do not lead to a significant increase inthe oxygen level. On the other hand, the heat provided during the process (by the build plate and the laser) wasaccompanied by a significant increase in the quantity of oxygen in the solid samples. It is assumed that spattersgenerated during the process have a major role in this elevation of the oxygen level, and strategies to reduce thenumber of spatters have been explored. The second study aimed to simulate by finite elements the damage andthe rupture of a certain type of supports, without having to decrease the size of the mesh, which in practicewould have been out of reach. 1D elements have been proposed to mesh these supports, and a case study hasbeen carried out with an industrial part. The mechanical characterisation stages of the supports showed thatthe fine structures isolated in the powder during the process had different mechanical behaviours from the solidparts. It was assumed that the specific thermal history of these structures was responsible for the differencebetween these mechanical behaviours. In addition, some limitations related to the manufacturing of supporttooth specimens, and their experimental characterisation have been identified. In the last part, which representsthe heart of the thesis, a five-level multi-scale finite element method has been developed. The method makesit possible to simulate the thermal history at the place and at the chosen moment, and it is controlled by all theprocess parameters, from the complete build plate scale to the scanning patterns, up to the scale of a laser vec-tor. The objective of the method is to use the heterogeneous temperature fields simulated at more macro scalesas initial and boundary conditions at more micro scales. The temporal and spatial evolution of the errors re-lated to the use of the macro-layer hypothesis have been studied analytically. This method can be used to detectregions with potential porosities, generated by extreme temperatures, and to optimise the process parametersin order to homogenise the temperature fields during the construction of the part. This method, constructedin a generic way, is potentially applicable to other AM processes with heat input.