optimisation du comportement en fatigue de pièces issues de fabrication additive par WLAM : influence de l'historique de chargement thermique et mécanique, anisotropie et effets d'échelle

optimization of the fatigue properties of parts obtained by the WLAM manufacturing process : influence of themperature and mechanical loading histories, anisotropy and scale effects

• Auteur / Autrice : Remi Thuillet
• Direction : Nicolas Ranc
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)

Mots clés

Mots clés libres

Fabrication additive

Suivi de procédés

Tests de fatigue ultrasonique

Additive manufacturing

In-situ process monitoring

Ultrasonic fatigue tests

Résumé

Dans le but d'établir le lien entre les paramètres procédé et les propriétés mécaniques des pièces obtenues, la démarche du travail de thèse se divisera en deux axes principaux : (1) l'instrumentation du procédé WLAM ; (2) la caractérisation des propriétés en fatigue des pièces produites. Le premier axe correspondant à la mise en place d'une instrumentation in-situ multimodale du procédé WLAM implémentera notamment des moyens d'imagerie thermique et optique, pour l'estimation respective des mécanismes de transfert de chaleur et l'identification des déformations en cours de fabrication. Un plan d'expérience associé aux différentes configurations de dépôts à tester (densité d'énergie, vitesse de dépose, flux matière, etc.) sera mis en œuvre de façon à caractériser finement le lien entre les paramètres procédés et l'historique thermique du matériau ainsi que les mécanismes de génération des contraintes résiduelles. En vue de la caractérisation des propriétés en fatigue associée au second axe du travail, des éprouvettes seront prélevées dans les murs réalisés, avec une direction de prélèvement qui permettra d'évaluer le degré d'anisotropie. Une première série d'éprouvettes témoin sera soumise à des essais de fatigue classiques en traction (R=-1), pour des tailles caractéristiques allant du cordon unique à la dizaine de cordons afin de caractériser les effets d'échelle sur les propriétés limites. Ces premiers résultats seront comparés à des résultats obtenus pas des essais en fatigue ultrasonique sur la même famille d'éprouvette, de façon à tester la validité de cette procédure qui permettra ensuite d'envisager des campagnes sur un plus grand nombre d'échantillons (variation des paramètres procédés, taille d'échantillon et direction de prélèvement). En parallèle, un état de l'art sera réalisé sur la modélisation des effets d'anisotropie en fatigue des matériaux ainsi que des effets d'échelle, dans le but de fournir une validation menant à des méthodes prédictives fiables pour des structures réalisées en WLAM. L'accent sera mis également sur les mécanismes physiques d'amorçage de fissures de fatigue afin de mieux comprendre leur origine et proposer des voies de modélisation du phénomène.

(Contexte national et international, partenariats, objectifs, approches, échéancier et organisation) : In order to establish the link between the process parameters and the mechanical properties of the WLAM parts, the approach of the thesis work will be divided into two main axes: (1) the instrumentation of the WLAM process; (2) the characterization of the fatigue properties. The first axis corresponding to the implementation of a multimodal in-situ instrumentation of the WLAM process will implement thermal and optical imaging tools, to estimate and quantify the heat transfer mechanisms and the identification of the strain during the manufacturing process. An experimental design associated with the different deposition configurations to be tested (energy density, deposition rate, material flow, etc.) will be implemented in order to finely characterize the link between the process parameters and the thermal history of the material as well as the mechanisms of residual stress generation. In order to characterize the fatigue properties after identification of the thermal history, specimens will be taken from the walls (see Figure 3), with a direction of reference that will allow the degree of anisotropy to be evaluated. A first group of specimens will be subjected to conventional fatigue tests in traction (R=-1), for characteristic sizes ranging from a single bead to ten beads in order to characterize the scale effect due to the process. These first fatigue properties will be compared with results obtained from ultrasonic fatigue tests on the same family of specimens, in order to test the validity of this procedure which will then allow to consider campaigns on a larger number of specimens (variation of process parameters, specimen size and sampling direction). In parallel, a state of the art will be carried out on the modeling of anisotropy effects in fatigue of materials as well as scale effects, with the aim of providing a new criterion leading to reliable predictive methods for structures made in WLAM. Emphasis will also be put on the physical mechanisms of fatigue crack initiation in order to better understand their origin and propose ways to model the phenomenon.