Schémas explicites et superposition de maillages: des stratégies pour l'accélération des calculs en fabrication additive métallique

Explicit schemes and mesh superposition to speed up computations in additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Bourama Diarra
• Direction : Eric Lacoste
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MPI : Matériaux, Procédés et Interactions

Mots clés

Mots clés libres

Schémas explicites

Superposition de maillages

Fabrication additive

Explicit schemes

Mesh superposition

Additive manufacturing

Résumé

La Fabrication Additive (FA) permet de produire des pièces fonctionnelles à partir d'un simple fichier de CAO (Conception Assistée par Ordinateur). On s'intéresse ici à un procédé de FA utilisant la fusion laser sur lit de poudre appelé SLM (Selective Laser Melting). Le SLM autorise la fabrication de pièces complexes à forte valeur ajoutée (treillis basés sur des surfaces minimales triplement périodiques, canaux internes de refroidissement, etc.). Les pièces métalliques produites par FA présentent de nombreux défauts : porosités, contraintes résiduelles et défauts géométriques. Les défauts géométriques - également appelés distorsions géométriques - sont une problématique majeure dans l'industrie. Ils peuvent endommager le moyen de production et conduire à l'obtention de pièces hors tolérances. Une couteuse phase d'apprentissage par « essais-erreurs » est donc nécessaire afin de trouver les « bons » paramètres de fabrication (e.g., puissance laser, vitesse laser). Une approche récemment développée à l'I2M a permis de considérablement diminuer les temps de calcul de simulations thermiques menées à l'échelle du bain de fusion (temps divisés par des valeurs comprises entre 30 et 100 par rapport aux méthodes usuellement utilisées) [1] grâce à l'utilisation - pour la première fois dans ce type d'application - d'un schéma explicite (Forward-Euler) à la place des méthodes implicites systématiquement employées dans la littérature. La première phase des travaux de thèse consistera à poursuivre cette approche.

Additive manufacturing (AM) presents undeniable advantages compared to conventional processes: the ability to create complex shapes, functionalize components, reduce material usage, repair existing parts, and generate multi-material structures. However, despite these strengths, AM is hindered by defects such as residual stresses and geometric distortions, limiting its widespread adoption. To minimize these drawbacks, a costly trial-and-error phase is often necessary. It is in this context that numerical simulation becomes crucial, aiming to accelerate the printing process of the first conforming piece. Current thermal simulations, while crucial for understanding and optimizing DED, face excessively long computation times, requiring hours or even days for heat source paths of a few centimetres. Commonly used approaches to accelerate these simulations (e.g., inherent strain method, lumping layer method) compromise the accuracy of the obtained thermal fields, thus limiting we recently validated the use of explicit schemes to solve thermal equations in AM (cf. 10.1016/j.finel.2022.103825), demonstrating significant reductions in calculation times. The project takes this approach further by exploring two additional aspects to accelerate finite element simulations: the use of super-time-stepping explicit schemes and the adoption of a spatial adaptability strategy via the s-FEM method.