Modélisation multi-échelles du procédé de fabrication additive par arc-fil WAAM : du cycle CMT aux pièces de grandes dimensions

Multi-scales modelisation of Wire Arc Additive Manufacturing : from CMT process to large dimensions parts

• Auteur / Autrice : Lucas Ravix
• Direction : Michel Bellet, Charles-André Gandin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 02/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tournier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Bellet, Charles-André Gandin, Muriel Carin, Rémy Dendievel, Frédéric Deschaux-Beaume, Yancheng Zhang, Gildas Guillemot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Carin, Rémy Dendievel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des fluides

Transfert de masse

Éléments finis, Méthode des

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Eléments Finis

Procédé dépôt-Fil WAAM

Cycle CMT

Résolution hydro-Thermo-Mécanique

Couplage Multi-Échelles

Additive manufacturing

Finite elements

WAAM process

CMT Cycle

Hydro-Thermo-Mecanic resolution

Multi-Scale simulation

Résumé

Le procédé de fabrication additive par arc-fil WAAM permet de construire des pièces de géométries complexes ou de rajouter des fonctionnalités sur des éléments déjà existants, en déposant la matière par cordons successifs à l’aide d’une torche de soudage. Le débit de matière important, le prix de la matière première accessible et son utilisation avec des robots anthropomorphes dans des espaces quasi-illimités en font un complément industriel pertinent par rapport aux procédés lit de poudre (LPBF) déjà industriellement viables. Cependant, son essor est encore limité, dû aux physiques et phénomènes nombreux qui le décrivent, ces derniers étant hautement dépendants des paramètres procédés. Plus précisément, les écoulements dans le bain de métal fondu à la suite du transfert de matière et chaleur ont un impact direct sur l’adhésion à la couche précédente et à sa solidification. Ceci qui conduit à des morphologies spécifiques et à une microstructure orientée dans le sens de la construction, toutes dépendantes de l’histoire thermo-mécanique de la pièce complète, du fait de l’accumulation de chaleur. Ces interactions couplées multi-échelles, inaccessibles à un modèle numérique unique, orientent alors le développement de deux modèles multi-physiques dans le cadre de ces travaux de recherche, qui reposent sur des travaux antérieurs en soudage et dans le LPBF. Le premier modèle, dit mésoscopique et à l’échelle du cordon, décrit le cycle complexe du procédé CMT dans une approche level set. Sans considérer l’électromagnétisme, un modèle de contact et d’asservissement du dévidage est développé pour reproduire la forme des dépôts. Le procédé, stabilisé par l’électrode en contact avec le bain, semble alors régi au premier ordre par la tension tension de surface, la forme du dépot précédent et sa température. Le second modèle, dit macroscopique, décrit les cycles thermo-mécaniques d’une pièce aux dimensions industrielles pour des temps de plusieurs heures. Sa rapidité, dans une approche quiet element, repose sur une discrétisation extrême du transfert de matière et chaleur à l’aide de segments de matière, adapté pour utiliser directement des CAO complexes de pièces. La résolution mécanique, associée à un modèle de débridage, permet d’observer les déformations résiduelles. Au final, les modèles méso et macro sont confrontés à de nombreuses ressources expérimentales et montrent une bonne cohérence dans les échelles qui leur sont propres. Le projet propose alors un socle à de futurs projets pour des couplages multi-échelles, où la modélisation numérique pourrait représenter le comportement de la matière, de la rugosité intercordons régie par les écoulements aux contraintes résiduelles dans une pièce de grandes dimensions.

Wire and arc additive manufacturing (WAAM) process allows complex geometries parts to be built, or functionalities to be added to existing components, by depositing the material in successive beads using a welding torch. The high material feeding rate, the accessible raw material price and its use with anthropomorphic robots in almost unlimited spaces make it a relevant industrial complement to the already industrially viable powder bed processes (LPBF). However, its development is still limited, due to the numerous physics and phenomena involved, the latter being highly dependent on process parameters. More specifically, the flows in the molten metal bath following the transfer of material and heat have a direct impact on the adhesion to the previous layer and its solidification. This leads to specific morphologies and a microstructure oriented in the direction of construction, all of which are dependent on the thermo-mechanical history of the complete part, due to heat accumulation. These coupled multi-scale interactions, inaccessible to a single numerical model, then guide the development of two multi-physics models in this research, which are based on previous work in welding and in the LPBF. The first model, called mesoscopic and at the bead scale, describes the complex cycle of the CMT process in a level set approach. Without considering electromagnetism, a contact and controlled loop model is developed to reproduce the cycle of the deposition. The process, stabilised by the electrode in contact with the pool, seems to be governed at first order by the surface tension, the shape of the previous deposit and its temperature. The second model, called macroscopic, describes the thermo-mechanical cycles of a part of industrial dimensions for times of several hours. Its speed, in a quiet element approach, is based on an extreme discretization of the material and heat transfer using material segments, adapted to use directly complex CAD parts. The mechanical resolution, combined with an unclamping model, allows the observation of residual deformations. In the end, the meso and macro models are confronted with numerous experimental resources and show good coherence in their own scales. The project therefore proposes a basis for future projects for multi-scale couplings, where numerical modelling could represent the behaviour of the material, from the inter-cordon roughness governed by the flows to the residual stresses in larges pieces.