Optimisation des stratégies de fabrication additive par dépôt de fil métallique à l'arc

par François Rouchon

Projet de thèse en Génie mécanique

Sous la direction de Sylvain Lavernhe et de Christophe Tournier.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences , en partenariat avec Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (laboratoire) , Géométrie tridimensionnelle des pièces et des mécanismes (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne) (référent) depuis le 01-04-2019 .


  • 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 travail de recherche proposé consiste donc à optimiser les stratégies de fabrication par dépôt de fil robotisé et s'inscrivent dans le cadre de la plateforme francilienne de fabrication additive « Additive Factory Hub » impliquant des industriels et des académiques. Les procédés WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) de fabrication additive par dépôt de fil métallique à l'arc possèdent de nombreux atouts qui les rendent très attractifs dans diverses industries : procédé maitrisé, taux de dépose important, peu de perte de matière, etc. Cependant certaines problématiques sont à prendre en compte comme le maintien de l'arc électrique, la maîtrise du bain liquide, les projections, la géométrie des pièces en particulier dans la direction d'empilement et aux jonctions, les déformations, etc. Dans le cadre des procédés fil robotisés, il est nécessaire de maîtriser la position et l'orientation relative de la torche par rapport à la pièce en toute circonstance pour garantir la performance du procédé. Diverses contraintes sont à prendre en compte telles que l'accessibilité hors collision et l'influence de la gravité sur le bain de fusion. Aussi plusieurs cas de figure sont possibles en fonction des configurations cinématiques (torche/pièce fixes ou mobiles) afin d'élaborer des pièces plus ou moins complexes. La configuration retenue pour ce projet est une cellule comportant un robot anthropomorphe 6 axes, un plateau porte-pièce 2 axes et un retourneur. Les travaux de recherche proposés portent plus particulièrement sur la capacité à modéliser, simuler et optimiser le procédé pour prévoir et limiter les déformations des pièces, maîtriser les projections, la largeur du cordon et enfin réduire les abattements de propriétés en lien avec la maîtrise des empilements de couches. L'approche scientifique s'appuie sur des campagnes expérimentales afin de déterminer les meilleures stratégies de fabrication. Celles-ci seront définies à partir d'un découpage topologique des produits en entités géométriques à fabriquer et leur découpage en opérations élémentaires pour lesquelles des trajectoires spécifiques seront développées et mises en œuvre. Des algorithmes de génération de trajectoires « 5 axes » permettant d'assurer la position et l'orientation relative de la buse par rapport à la pièce ainsi qu'une vitesse de travail maîtrisée en toutes circonstances seront développés et intégrés dans un logiciel de Fabrication Assistée par Ordinateur. Un démonstrateur sera élaboré et des cas d'usage proposés par les partenaires industriels du projet (Safran, Vallourec, EDF) serviront de supports de validation.

  • Titre traduit

    Process optimisation in wire and arc additive manufacturing


  • Résumé

    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 research work suggested aims to optimize manufacturing strategies in WAAM and take place in the francilienne additive manufacturing platform "Additive Factory Hub" involving industrials and academics partners. Wire and arc additive manufacturing process offers several assets yielding them very attractive in industries: process mastered, high deposition rate, low wastage, etc. Nevertheless, some issues related to the electrical arc, the liquid weld pool, projections, part geometry in the building direction, junctions or deformations have to be considered. In order to ensure the performance of WAAM process, the control of the torch position and orientation relatively to the part is mandatory. The influence of the gravity on the welding pool and accessibility issues have to be taken into account. Among several possible kinematic configurations, this project uses a 6 axis anthropomorphic robot with a 2 axis workpiece carrier plate. This research work mainly focuses on modeling, simulating and optimizing WAAM process to predict and minimize part deformations, to control spatters, the molten pool depth and material properties diminution with the management of the layers stacking. The scientific approach relies on experimental testing to identify the best manufacturing strategies. "5 axis" tool path generation algorithms allowing to control the relative position and the orientation of the torch to the part as well as to control the feed rate in any manufacturing configuration will be developed and implemented in a CAM software. An industrial demonstrator will be elaborate and the proposed manufacturing strategies will be validated on use cases suggested by our industrial partners.