Contributions à la modélisation géométrique du dépôt de matière pour l'élaboration d'un jumeau numérique du procédé WAAM

Contributions to the geometric modeling of material deposition for the development of a digital twin of the WAAM process

• Auteur / Autrice : François Rouchon
• Direction : Sylvain Lavernhe, Christophe Tournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire de recherche en production automatisée (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1981-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Cheutet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Tournier, Frédéric Vignat, Matthieu Rauch, Sébastien Campocasso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Vignat, Matthieu Rauch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Produits en fil métallique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Dépôt de fil métallique

Waam

Modélisation géométrique

Jumeau numérique

Additive manufacturing

Metallic wire deposition

Waam

Geometric modeling

Digital twin

Résumé

Les procédés de fabrication additive par dépôt de fil métallique sont en plein essor car ils proposent des taux de dépose matière très élevés et minimisent les problématiques HSE liées à l'exploitation de poudres métalliques. Si ce procédé issu du soudage est bien connu, son exploitation sur des cellules robotisées pour fabriquer des pièces de grande taille ou ajouter des fonctionnalités par rechargement nécessite de développer des stratégies de fabrication adaptées aux entités à fabriquer pour garantir l'efficacité du procédé tout en minimisant les déformations. Le développement de telles stratégies requiert une connaissance approfondie du processus de fabrication, mais aussi des propriétés des pièces fabriquées pour tendre vers une industrialisation à grande échelle. Les travaux de thèse portent sur la modélisation du processus d'élaboration en WAAM et du procédé de dépôt de fil à l'arc afin de contribuer au développement d'un jumeau numérique du système de production. La mise en œuvre d'un tel jumeau a pour objectif d'améliorer et de maîtriser la géométrie des pièces fabriquées. L'approche scientifique s'appuie sur des campagnes expérimentales afin d'observer et de caractériser le comportement géométrique des cordons déposés en fonction des paramètres du procédé. Cette analyse est par la suite menée au voisinage des points de la trajectoire de dépôt présentant des changements de direction, où l'évolution du bain liquide est influencée par la cinématique réelle de la torche, et du robot, par rapport au substrat. Enfin, l'assemblage de cordons est étudié à travers la fabrication d'entités géométriques simples afin d'établir un modèle permettant de prédire et simuler la géométrie fabriquée. Cette modélisation permet de mieux appréhender les paramètres de la trajectoire tels que la hauteur de couche et la distance de juxtaposition afin de limiter les dérives géométriques, garantir la faisabilité et éviter toute collision. L'ensemble de ces travaux contribue à l'élaboration d'un jumeau numérique du procédé WAAM dont une architecture fonctionnelle est proposée à partir de concepts issus de la littérature. Le travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la plateforme francilienne de fabrication additive « Additive Factory Hub » impliquant des partenaires industriels et des académiques.

Wire and arc additive manufacturing processes are rising as they offer high deposition rates and minimize environmental and security issues due to the use of metal powders. Even if the process derived from welding is well-known, its use on robot to manufacture large parts or add features by refilling needs to elaborate manufacturing strategies to ensure process efficiency while minimizing deformations. The development of such strategies requires an in-depth knowledge of the manufacturing process, but also of the properties of the manufactured parts in order to move towards large-scale industrialisation. This thesis work focuses on the modelling of the WAAM process and the arc wire deposition process in order to contribute to the development of a digital twin of the production system. The implementation of such a twin aims to improve and control the geometry of the manufactured parts. The scientific approach is based on experimental campaigns to observe and characterise the influence of process parameters on the geometric behaviour of single beads manufactured on a flat substrate. Then, this study is extended to corners where the evolution and the behaviour of the bead pool is observed and modelled with the kinematic behaviour of the robot. Finally, the assembly of beads is studied through the manufacturing of simple geometric entities in order to establish a model allowing the prediction and simulation of the manufactured geometry. This model allows a better understanding of the essential parameters of the tool path such as the layer height and the inter-bead distance in order to limit geometric drift, guarantee feasibility and avoid any collision. All this work contributes to the development of a digital twin of the WAAM process, whose functional architecture is proposed based on concepts from the literature. The research work is part of the Ile-de-France additive manufacturing platform "Additive Factory Hub" involving industrial and academic actors.