Modélisation multi-échelles et multi-physiques d'un procédé électrochimique dédié au parachèvement de pièces obtenues par fabrication additive

Multiscale and multiphysics modeling of electrochemical finishing process of additive additive manufacturing parts

• Auteur / Autrice : Aurélien Boucher
• Direction : Jean-Yves Hihn, Marie-Laure Doche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 24/03/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Univers- Transport- Interfaces- Nanostructures- Atmosphère et environnement- Molécules (UMR 6213) / UTINAM
• Jury : Président / Présidente : Joël Rech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Exbrayat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Vivier, Christine Lefrou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Polissage électrolytique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Modélisation

Électropolissage

Électrochimie

Fabrication Additive

Simulation

Modeling

Electropolishing

Electrchemistry

Fluid dynamics

Additive Manufacturing

Simulation

Résumé

Les bouleversements liés à l’essor de la fabrication additive sont nombreux dans l’industrie, en particulier dans le secteur aéronautique, avec des perspectives permettant de véritables ruptures technologiques en termes de forme et de conception. Cependant, ces procédés rencontrent des limites propres à leur état de surface brut. Les besoins de parachèvements sont cruciaux pour la montée en maturité de ces procédés. Parmi les différents procédés disponibles, l’électropolissage présente de nombreux avantages avec un bon retour d’expérience sur des substrats variés et une dangerosité limitée des électrolytes. La maitrise de cette technique passe toutefois par le développement d’outillages spécifiques, qui devient ici plus complexe du fait de la grande liberté de conception des pièces, associée à des séries limitées. La capacité à modéliser ces procédés présente un enjeu important pour le groupe Safran pour garantir son déploiement industriel. Le principal objectif de cette thèse est le développement de modèles de simulation d’un procédé d’électropolissage de pièces issues de fabrication additive. Pour cela, une stratégie en trois grandes étapes a été proposée. Dans un premier temps, différents modèles ont été développés pour simuler l’électropolissage de l’acier inoxydable 316L. À partir d’un premier modèle de distribution secondaire du courant, un modèle de distribution pseudo-tertiaire a été développé en s’appuyant sur des abaques expérimentaux et sur le couplage de l’électrochimie et de la dynamique des fluides. Ce modèle permet de prédire les vitesses de dissolution et de diminution de rugosité en tout point des pièces, en prenant en compte les distributions locales du potentiel et de l’agitation. Dans un second temps, ces modèles ont été étendus à un autre matériau, l’inconel 718, d’intérêt majeur pour le secteur aéronautique. Enfin, ces modèles développés pour l’inconel 718 ont été utilisés pour optimiser l’outillage ainsi que les conditions de traitement d’une pièce de moteur d’avion utilisée comme démonstrateur par Safran. L’outillage spécifique proposé a été réalisé en impression 3D et utilisé pour le traitement de pièces réelles. En comparant les données simulées et le démonstrateur électropoli dans une unité pilote, la prédictibilité de diminution de rugosité du modèle pseudo-tertiaire est supérieur à 90%.

The upheavals linked to the rise of additive manufacturing are numerous in the industry, especially in the aeronautics sector, with prospects allowing real technological breakthroughs in terms of shape and design. However, these processes encounter their own limitations due to their raw surface state. The need for finishing is crucial for the maturation of these processes. Among the various technics available, electropolishing presents many advantages with good feedback on various substrates and relatively safe electrolytes. However, mastering this technique requires the development of specific tools (tooling), which becomes more complex here due to the great freedom of design of the parts, associated with limited series. The ability to model these processes presents an important challenge for the Safran group to ensure its industrial deployment. The main objective of this thesis is the development of simulation models of an electropolishing process for additively manufactured parts. For this purpose, a strategy in three main steps has been proposed. Initially, different models were developed to simulate electropolishing of stainless steel 316L. From a first model of secondary current distribution, a pseudo-tertiary distribution model was developed based on experimental charts and on the coupling of electrochemistry and fluid dynamics. This model allows to predict dissolution rates and roughness reduction at any point of the parts, taking into account local distributions of potential and agitation. In a second step, these models were extended to another material, Inconel 718, of major interest for the aerospace sector. Finally, these models developed for Inconel 718 were used to optimize the tooling (constituted by a counter-electrode assembly) and the processing conditions of an aircraft engine part used as a demonstrator by Safran. The specific counter-electrode proposed was made by 3D printing and used for the treatment of real parts. By comparing simulated data and the electropolished demonstrator in a pilot unit, the predictability of roughness reduction of the pseudo-tertiary model is over 90%.