Modélisation thermomécanique performante de grandes pièces fabriquées par procédés de fabrication additive laser par dépôt de poudre.

Efficient thermomechanical modeling of large parts fabricated by Directed Energy Deposition Additive Manufacturing processes.

• Auteur / Autrice : Vaibhav Nain
• Direction : Muriel Carin, Thierry Engel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 15/06/2022
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Habraken
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre, Iryna Tomashchuk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Bellet, Pierre Joyot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écrouissage

Acier -- Défauts

Modèles mathématiques

Métaux -- Traitement thermomécanique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive laser par dépôt de poudre

Restauration de l'écrouissage

Acier inoxydable 316L

Distorsions

Directed Energy Deposition Additive Manufacturing

Thermomechanical model

Elastoplastic behavior

Stress relaxation model

Distortions

Stainless Steel 316L

Résumé

Les procédés de fabrication additive laser par dépôt de poudre offrent une opportunité unique pour la fabrication de grandes pièces à géométrie complexe. Cependant, les déformations mécaniques induites par ces procédés entrainent des défauts pouvant conduire à des pièces rebutées. Au cours de cette thèse, différents modèles ont donc été développés pour mieux comprendre l’apparition de ces déformations en fonction des paramètres opératoires. Un premier modèle thermomécanique prédit le comportement élastoplastique lors de la construction d’un mur en acier inoxydable 316L. L’apport de chaleur est modélisé par une source double ellipsoïdale mobile et la construction des couches se fait à l’aide d’une méthode hybride « Quiet/Active élément ». Un écrouissage isotrope non linéaire est considéré, avec prise en compte de la restauration d’écrouissage à hautes températures. Afin de réduire drastiquement les temps de calcul, une nouvelle source de chaleur est proposée utilisant une source ellipsoïdale allongée qui moyenne l’énergie sur un intervalle d’espace et de temps. Cependant, un intervalle d’espace trop grand diminue la précision du modèle. De nouveaux paramètres sont alors introduits afin d’identifier le meilleur compromis entre temps de calcul et précision. L’ensemble des modèles proposés est confronté avec succès avec des données expérimentales en termes de température et déplacement et ce pour différents paramètres opératoires. Enfin, des modèles multi-échelles basés l’activation par couche ou les méthodes de déformations inhérentes sont étudiés en vue de réduire les temps de calcul.

Directed Energy Deposition (DED) Additive Manufacturing technology offers a unique possibility of fabricating large-scale complex-shape parts. However, process-induced deformation in the fabricated part is still a big obstacle in successfully fabricating large-scale parts. Therefore, multiple numerical models have been developed to understand the accumulation of induced deformation in the fabricated part. The first model predicts the thermo-elastoplastic behaviour that captures the laser movement. The laser-material interaction and metal deposition are modeled by employing a double ellipsoid heat source and the Quiet/Active material activation method respectively. The model considers isotropic non-linear material hardening to represent actual metal behaviour. It also employs an instantaneous stress relaxation model to simulate the effects of physical phenomena like annealing, solid-state phase transformation, and melting. Using this model as a reference case, an efficient model is developed with an objective to reduce the computation time and make it feasible to simulate large-part. The model employs an Elongated Ellipsoid heat source that averages the heat source over the laser path which reduces the computational burden drastically. However, averaging over large laser path results in inaccurate results. Therefore, new parameters are developed that identify the best compromise between computation time reduction and accuracy. Both models are validated with experimental data obtained from several experiments with different process parameters. Finally, other Multi- scale methods such as the Layer-by-layer method and Inherent Strain-based methods are implemented and explored.