Maîtrise des caractéristiques géométriques et métallurgiques d'un nouvel alliage d'aluminium par la fabrication de pièces à parois fines avec le procédé additif laser-fil

Control of the geometrical and metallurgical characteristics of a new aluminium alloy by the production of thin-walled parts using the laser-wire additive process

• Auteur / Autrice : Yvan Dubreuil
• Direction : Sylvain Lavernhe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• 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

Métallurgie

Stratégie de fabrication

Fabrication additive

Alliage alluminium

Wlam

Wlam

Alluminium alloy

Metallurgy

Manufacturing strategy

Additive manufacturing

Résumé

La problématique de la maîtrise des procédés de Fabrication Additive (FA) pour permettre l'accès à des géométries complexes et des pièces de grandes dimensions, a pris de plus en plus d'ampleur ces dernières années chez les industriels des secteurs du transport et de l'énergie. Cependant, cette maîtrise délicate nécessite au préalable une bonne compréhension des phénomènes métallurgiques mis en jeu lors de l'élaboration de pièces métalliques en FA. Le caractère innovant de ce travail de thèse est de combiner l'utilisation d'un procédé FA novateur, le procédé WLAM, et la mise en œuvre d'un alliage d'aluminium spécifiquement développé pour la FA. Cet alliage présente des propriétés mécaniques remarquables qui nous amènent à le proposer pour des pièces à parois fines typiques de l'utilisation dans le domaine du transport (aéronautique, aérospatial ou encore automobile). Parmi les procédés FA de type DED (Directed Energy Deposition) la technologie laser-fil ou WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) permet de gérer de façon libre et découplée les paramètres énergétique (puissance du laser), géométrique (répartition de la puissance, positionnement du point focal) et matière (vitesse du fil). Cette technologie prometteuse a jusque-là été peu investiguée pour les alliages d'aluminium, ceux-ci présentant un fort intérêt pour des pièces du domaine du transport. Le fait de vouloir fabriquer des pièces à parois relativement fines par un procédé de faible maturité pose évidemment un certain nombre de problèmes. Pour pouvoir développer une stratégie de fabrication en WLAM adaptée aux alliages d'aluminium, il est nécessaire d'arriver à relier les opérations de dépose (trajectoire et mode de parcours, synchronisation robot, fil et laser) au comportement du matériau, afin de conserver une géométrie fonctionnelle (caractéristiques mécaniques, taux de porosité, etc.). La forme et l'état de surface des dépôts réalisés sont loin de pouvoir prédire la santé métallurgique du matériau et son homogénéité structurale, ce qui nécessite des itérations entre production d'échantillons en WLAM et observation de la microscopie. Ainsi, les deux principaux verrous à lever sont : 1. La définition de la fenêtre de fonctionnement du procédé qu'il sera nécessaire de déterminer en cernant les paramètres opératoires critiques et en investiguant leur niveau de pilotage (pour la géométrie : vitesse de la tête de FA, gestion des décalages de cordons et de couches ; pour le matériau : débit du fil, préchauffage du fil et du substrat ; pour l'énergie : niveau et répartition de la puissance, défocalisation). 2. La stratégie de fabrication à mettre au point qui devra s'adapter à la géométrie des pièces à fabriquer et à d'autres contraintes liées au matériau (diffusion thermique, refusions locales, etc.) au fur et à mesure de la fabrication. Un des verrous scientifiques sous-jacents est la prise en compte des spécificités de comportement du matériau à différentes échelles : à l'échelle mésoscopique (géométrie et dimensions du bain de fusion), à l'échelle macroscopique (refusions, effondrement, déformations dues aux contraintes générées par la solidification et le refroidissement) et à l'échelle de la microstructure (comportement mécanique et chimique directement lié aux phases durcissantes en présence et à l'organisation microstructurale de la matière). Il s'agit donc de pouvoir maîtriser les conséquences de l'interaction laser-matière sur la géométrie et le matériau. La maîtrise d'une géométrie de pièce et d'une microstructure peuvent ainsi nécessiter de passer par la fabrication d'éprouvettes technologiques de forme relativement simple pour garantir in fine une homogénéité microstructurale dans l'intégralité d'une pièce complexe.

The challenge of mastering Additive Manufacturing (AM) processes to enable access to complex geometries and large parts has become increasingly important for manufacturers in the transport and energy sectors in recent years. However, this delicate control first requires a good understanding of the metallurgical phenomena involved in producing metallic parts. The innovative character of this thesis work combines the use of a new AM process, the WLAM process, with the application of an aluminium alloy developed specifically for AM. This alloy has remarkable mechanical properties, which led us to propose it for thin-walled parts typically used in the transport sector (aeronautics, aerospace, or automotive). Among DED (Directed Energy Deposition) type AM processes, Wire Laser Additive Manufacturing or WLAM enables free, decoupled handling of energy (laser power), geometry (power distribution, focal point positioning) and material (wire speed). Until now, this promising technology has been little investigated for aluminium alloys, which are of great interest for parts in the transport sector. Of course, the desire to manufacture relatively thin-walled parts using an early-stage process raises several problems. In order to develop a manufacturing strategy adapted to aluminium alloys, it is necessary to connect the depositing operations (trajectory and path strategy, robot, wire and laser synchronisation) to the material behavior to maintain a functional geometry (mechanical characteristics, porosity rate, etc.). The shape and surface finish of the deposits produced are far from being able to predict the material's metallurgical health and structural homogeneity, requiring iterations between WLAM sample production and microscopy observation. The two main challenges to be overcome are: 1. Definition of the process operating window, which needs to be determined by identifying critical operating parameters and investigating their level of control (for geometry: AM head speed, bead and layer offset management; for material: wire flow rate, wire and substrate preheating; for energy: power level and distribution, defocusing). 2. The manufacturing strategy to be developed will have to adapt to the geometry of the parts to be manufactured and to other material-related constraints (thermal diffusion, local refusals, etc.) as the manufacturing process evolves. One of the underlying scientific challenges is to take into account the specific behaviour of the material on different scales: mesoscopic (geometry and dimensions of the melt), macroscopic (refusals, collapse, deformations due to stresses generated by solidification and cooling) and microstructural (mechanical and chemical behaviour directly linked to the hardening phases present and the microstructural organisation of the material). The aim is, therefore, to control the consequences of laser-matter interaction on the geometry and the material. Controlling part geometry and microstructure may require the manufacture of relatively simple samples to guarantee microstructural homogeneity throughout a complex part.