Élaboration de gammes de fabrication pour l'hybridation des procédés WXAM et usinage 5 axes

Development of manufacturing design and process for the hybridisation of WXAM and 5-axis machining

• Auteur / Autrice : Léo Pizzol
• Direction : Sylvain Lavernhe, Christophe Tournier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géométrie tridimensionnelle des pièces et des mécanismes
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Fabrication additive métallique

Entité de fabrication

Gamme de fabrication

Cfao

Metallic additive manufacturing

Manufacturing entity

Cad/cam

Manufacturing design and process

Résumé

La fabrication additive métallique sous énergie concentrée s'affirme au fil des recherches comme un procédé potentiellement compétitif pour l'obtention de pièces, l'ajout de fonctions ou la réparation de structures endommagées. En particulier, les procédés WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) et WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) permettent de réaliser des formes complexes directement en 3D, offrent des taux de dépose supérieurs aux procédés sur lit de poudre et ne sont pas contraints par les problématiques hygiène, sécurité et environnement d'utilisation des poudres. Une analyse des problématiques industrielles de fabrication montre l'intérêt d'obtenir des pièces brutes de formes complexes avec une géométrie « near net shape » qui permettent d'optimiser les opérations d'usinage et de parachèvement. Cependant les procédés WXAM souffrent de plusieurs faiblesses parmi lesquelles une programmation indigente, un mauvais contrôle des paramètres de dépôt, l'accumulation de chaleur entraînant des déformations thermiques et des dysfonctionnements des machines. L'obtention de géométries « near net shape » repose sur la maîtrise du dépôt de matière et plus particulièrement sur la détermination de l'évolution des paramètres du procédé (vitesse robot, puissance, vitesse fil, temporisation) pour contrôler le comportement thermique et ainsi garantir la géométrie des cordons et la santé matière de la pièce. L'autre facette du problème est le contrôle de ces paramètres et de la géométrie produite au cours du procédé ainsi que le pilotage de la structure mécanique articulée (robot anthropomorphe 6 axes ou MOCN 5 axes) qui exécute le procédé. Alors il devient possible d'intégrer les spécificités des procédés WXAM et d'usinage pour obtenir de telles pièces par hybridation des procédés en s'appuyant sur de développement de la chaîne numérique associée aux procédés WXAM qui fait cruellement défaut. Le projet AWESOME a donc pour objectif de contribuer au développement d'un processus de fabrication intégré permettant l'obtention des pièces de formes complexes de type aubes de turbines hydrauliques. Plus spécifiquement, il s'agit de développer des stratégies de fabrication par hybridation entre fabrication additive sous énergie concentrée et usinage 5 axes ainsi que la chaîne numérique associée. Pour parvenir à cet objectif, le sujet de thèse proposé vise à optimiser la décomposition topologique de la pièce et l'hybridation entre fabrication additive et soustractive. Il vise également à modéliser l'influence des perturbations lors de l'exécution des trajectoires WXAM.

Direct energy deposition in metal additive manufacturing is emerging as a potentially competitive process for producing parts, adding functions or repairing damaged structures. In particular, WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) and WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) processes allow complex shapes to be produced directly in 3D, offer higher deposition rates than powder bed processes and are not constrained by the health, safety and environmental issues associated with powder use. An analysis of industrial manufacturing issues shows the interest in obtaining raw complex shaped parts with near net shape geometry that allow for the optimisation of machining and finishing operations. However, WXAM processes suffer from a number of weaknesses, including poor programming, poor control of deposition parameters, heat build-up leading to thermal distortion and machine malfunction. Obtaining 'near net shape' geometries relies on the control of material deposition and more particularly on the determination of the evolution of the process parameters (robot speed, power, wire speed, timing) to control the thermal behaviour and thus guarantee the geometry of the beads and the material health of the part. The other side of the problem is the control of these parameters and of the geometry produced during the process as well as the control of the articulated mechanical structure (6-axis anthropomorphic robot or 5-axis MOCN) which carries out the process. It then becomes possible to integrate the specificities of the WXAM and machining processes to obtain such parts by hybridization of the processes by relying on the development of the digital chain associated with the WXAM processes which is cruelly lacking. The objective of the AWESOME project is therefore to contribute to the development of an integrated manufacturing process for obtaining parts with complex shapes such as hydraulic turbine blades. More specifically, the aim is to develop manufacturing strategies by hybridization between additive manufacturing under direct energy deposition and 5-axis machining as well as the associated digital chain. To achieve this objective, the proposed thesis aims to optimise the topological breakdown of the part and the hybridization between additive and subtractive manufacturing. It also aims to model the influence of disturbances during the execution of WXAM trajectories.