Modélisation et optimisation du comportement thermomécanique des pièces métalliques obtenues par frittage : Approche numérique et expérimentale.

Modeling and optimization of the thermomechanical behavior of metal partsobtained by sintering: Numerical and experimental approach.

• Auteur / Autrice : Judice Cumbunga
• Direction : Said Abboudi, Samuel Gomes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 05/10/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : COMM - Conception, Optimisation & Modélisation en Mécanique

Mots clés

Mots clés libres

Frittage à l'état solide

Fabrication additive par extrusion de métal

Évolution microstructurale

Couplage multiphysique

Méthode des éléments finis

Acier inoxydable 316

Solid-state sintering

Metal extrusion additive manufacturing

Microstructural evolution

Multiphysics coupling

Finite element method

Stain steel 316L

Résumé

Le processus de frittage à l'état solide sans pression est un traitement thermique appliqué pour améliorer ou ajuster les propriétés du matériau en fonction de son application. Le processus de frittage à l'état solide sans pression est un traitement thermique appliqué pour améliorer ou ajuster les propriétés du matériau en fonction de son application, compte tenu de sa capacité à traiter des pièces de géométrie complexe (forme), de sa grande précision dimensionnelle, de ses petites dimensions et de son aptitude à traiter des matériaux tendres et durs. Cependant, la modélisation des traitements thermiques est une tâche difficile, car un modèle approprié doit prendre en compte plusieurs aspects, tels que les questions multiéchelles et multiphysiques, la forte non-linéarité du matériau, la géométrie complexe, les conditions aux limites, etc. Dans l'industrie, les paramètres de traitement appropriés sont principalement obtenus par essais et erreurs. Dans l'industrie, les paramètres de traitement appropriés sont principalement obtenus par essais et erreurs. Pour surmonter ces limitations, la simulation informatique fait son apparition, car elle permet d'économiser des coûts et fournit des références ou des conseils plus précieux pour la production réelle que les essais de frittage réels. Divers projets de recherche ont été développés autour de modèles informatiques, et les approches se situent à différents niveaux ou échelles, tels que la petite échelle (niveau atomique), la méso-échelle (niveau des particules, des grains et des pores), et l'échelle du continuum (niveau des composants). La maturité et la capacité à prédire l'évolution de la microstructure ont placé le modèle mésoscopique (au niveau des particules, des grains et des pores) devant les autres. Ainsi, compte tenu de la question principale de la recherche "Étant donné une pièce verte obtenue par MExAM, comment simuler informatiquement l'évolution de la microstructure (à partir de son arrangement microstructural initial) pour contrôler les changements dans les propriétés thermomécaniques pendant le processus de frittage à l'état solide ?" Ainsi, un modèle de calcul robuste basé sur une approche multiphysique pour prédire l'évolution de la microstructure et des propriétés thermomécaniques du matériau a été développé, testé et validé. Les techniques numériques basées sur les éléments finis utilisées pour résoudre ce problème multiphysique et non linéaire ont été expliquées. Les résultats de la simulation suggèrent que le modèle développé est capable de prévoir avec précision le comportement du processus de frittage en ce qui concerne ses propriétés microstructurales, thermiques et mécaniques. La stratégie d'application du modèle pour simuler et prévoir le comportement du matériau pour le MExAM a été présentée, ainsi que la manière d'utiliser le modèle pour optimiser les propriétés thermomécaniques du matériau traité. L'optimisation a été réalisée en couplant les résultats de la simulation avec la méthode Taguchi. Il convient de noter que les résultats obtenus à partir de l'analyse des propriétés des matériaux reflètent l'application réussie du modèle, tant du point de vue de la prévision du comportement microstructural et thermomécanique du matériau dans certaines conditions de frittage que du point de vue de l'optimisation.

The pressureless solid-state sintering process is a heat treatment applied to improve or adjust the material's properties according to its application, considering its ability to process parts with complex geometry (shape), high dimensional accuracy, small sizes, and suitability for soft and hard materials. However, modeling heat treatments is a challenging task, as an appropriate model must consider several aspects: such as multiscale and multi-physical issues, strong nonlinearity of the material, complex geometry, boundary conditions, etc. In the industry, proper processing parameters are mainly obtained by trial and error. To overcome these limitations, computer simulation is emerging, as it can save costs and provide more valuable references or guidance for actual production compared to actual sintering tests. Various research projects have been developed around computational models, and the approaches are at different levels or scales, such as small-scale (atomic level), mesoscale (particles, grains, and pores level), and continuum scale (component level). The maturity and ability to predict the evolution of microstructure has put the mesoscopic model (particles, grains, and pores level) ahead of the others. So, considering the main research question "Given a green part obtained by MExAM, how to simulate computationally the microstructure evolution (starting from its initial microstructural arrangement) to control the changes in thermomechanical properties during the solid-state sintering process?" Thus, a robust computational model based on a multiphysics approach to predict the evolution of microstructure and thermomechanical properties of the material has been developed, tested, and validated. The numerical techniques based on FEM used to solve this multi-physics (coupling of heat conduction equation, mechanical field, and phase-field equations) and non-linear problem have been explained. The simulation findings suggest that the developed model is capable of accurately forecasting the behavior of the sintering process concerning its microstructural, thermal, and mechanical properties. The strategy to apply the model to simulate and predict the material's behavior for MExAM was presented, as well as how to use the model to optimize the thermomechanical properties of the processed material. Optimization was achieved by coupling the simulation results with the Taguchi method. It should be noted that the results obtained from the material properties analysis reflect the successful application of the model, both, from the perspective of predicting the microstructural and thermomechanical behavior of the material under certain sintering conditions and from, the perspective of optimization.