Maîtrise géométrique des pièces produites par fabrication additive métallique – GEOCAM

La FA, plus que tout autre procédé, entraine des chocs thermiques et des phases de refroidissements successifs dans la pièce en cours de fabrication. Les caractéristiques des matériaux, la localisation de la pièce par rapport aux parois, les caractéristiques des poudres et les trajectoires de fabrication sont autant de paramètres technologiques qui modifient radicalement les phénomènes physiques et thermomécaniques mis en jeu et se traduisent par des défauts géométriques et des variabilités importantes sur la pièce. Nous sommes convaincus qu’une démarche conjointe entre métrologie thermique, modélisation physique et simulation est une clé pour lever les verrous scientifiques identifiés. GeoCAM est bâti autour de trois axes :
(a) L’analyse géométrique statistique, avec une approche phénoménologique basée sur des outils statistiques afin de rechercher l’influence des paramètres physiques et procédés sur les défauts géométriques de pièces fabriquées, appliquée à des pièces de géométrie simple (de laboratoire) et étendue à des pièces plus complexes (proches de pièces industrielles),
(b) La métrologie thermique, avec l’implantation de dispositifs de mesures locales à distance ou dans la pièce et le lit de poudre (thermocouple, pyromètre et caméras thermiques) pour caractériser les conditions de réalisation et remonter ainsi aux différentes grandeurs physiques (diffusion, conduction…) en fonction des conditions de réalisation,
(c) La simulation de la fabrication à l’échelle de la pièce, avec le développement d’une démarche hybride prenant en compte les phénomènes thermomécanique et le principe de base de génération de pièce par couches successives tout en obtenant des résultats avec un temps de calcul raisonnable.

Le projet a permis de mieux comprendre les processus de déformation des pièces lors de la fabrication additive de pièces métalliques sur lit de poudre et ainsi de pouvoir développer des méthodes de simulation adaptées. La première méthode est à base d’historiques de température approchés en utilisant la répétition couche à couche de l’historique des températures dans des zones importantes de la pièce. La seconde est à base de schéma explicite permettant des gains de temps de calcul très importants par rapport à des schémas implicites traditionnels. Afin d’alimenter les simulations en données sur les propriétés des matériaux, en particulier des poudres métalliques à hautes températures (>1000°C), des échantillons ont été conçus spécifiquement pour une mesure par radiométrie photothermique modulée. Enfin, une manipulation originale pour la mesure des températures de pièces à l’aide de thermocouples au sein de la machine industrielle a été mise au point afin de valider les cartographies de température. Un projet région Nouvelle Aquitaine sur la fabrication additive d’implants lombaires en fabrication additive s’est adossé sur les résultats obtenus et deux dossiers de demandes de financement ont étés déposés auprès de l’ANR concernant d’une part, les choix des paramètres du procédé pour optimiser la fabrication des pièces et d’autre part, la méthode de simulation à base de schéma explicite.

Les méthodes d’analyse statistique des mesures tridimensionnelles pourront être appliquées, non seulement à d’autres procédés de fabrication additive mais aussi, de manière générale, à tout procédé de fabrication. L’éventail des applications est donc très large.
En ce qui concerne les méthodes de simulation hybrides développées, elles pourront être étendues à d’autres procédés de fabrication additive tels que les procédés CLAD (Construction Laser Additive Directe) ou WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing).
À l’issue du projet, selon la pertinence des algorithmes de simulation développés et l’état du marché des logiciels d’assistance à la FA, il est envisagé de travailler en partenariat avec une entreprise de développement logiciel pour le développement et l’intégration de la simulation thermomécanique dans une suite logiciel spécialisé FA.

Ledoux, Y.; Ghaoui, S.; et al. Fast simulation for powder bed fusion process based on thermal field pattern repetitions: application on electron beam melting process. IJAMT. 2023, 131, 585-594.

Ledoux, Y.; Ghaoui, S.; Vo, T.H.; et al. Geometrical defect analysis of overhang geometry produced by electron beam melting: experimental and statistical investigations. IJAMT. 2022, 122, 2059–2075.

Essongue, S.; Ledoux, Y.; Ballu, A. Speeding up mesoscale thermal simulations of powder bed additive manufacturing thanks to the forward Euler time-integration scheme: a critical assessment. Finite Elements in Analysis & Design. 2022, 211.

Ghaoui, S.; Ledoux, Y.; Vignat, F.; et al. Analysis of geometrical defects in overhang fabrications in electron beam melting based on thermomechanical simulations and experimental validations. Additive Manufacturing. 2020, 36, 101557.

Les nouvelles possibilités techniques offertes par la Fabrication Additive (FA) de matériaux métalliques ouvrent la voie à la conception de pièces aux formes complexes et innovantes, mais dont la maîtrise de la qualité en termes de santé matière, d’état de surface et de géométrie de pièces n’est pas assurée. Le projet présenté s’attache à la maîtrise de la géométrie globale de la pièce obtenue par procédés SLM (Selective Laser Melting) et EBM (Electron Beam Melting) et se distingue de la majorité des recherches traitant d’aspects plus micrométriques ou macrométriques. Les distorsions géométriques relevées s’expliquent en partie par le couplage entre les gradients thermiques imposés lors de la fabrication et l’évolution des formes au cours du refroidissement (dépôts de couches successives) engendrant des états de contraintes résiduelles non négligeables. Les caractéristiques des matériaux, la localisation de la pièce par rapport aux parois, les caractéristiques des poudres et les trajectoires de balayage sont autant de paramètres technologiques qui modifient radicalement les phénomènes physiques et thermomécaniques mis en jeu.

Le premier objectif du projet est d’identifier les défauts géométriques des pièces fabriquées et leurs variabilités. Des méthodes d’analyse statistique multivariée sur des lots de pièces fabriqués avec des paramètres différents permettront d’établir des relations entre les phénomènes physiques des procédés, les paramètres de réglages et la géométrie obtenue.
Le second objectif est de mesurer les champs thermiques lors de la fabrication, sur banc expérimental ou sur la machine à l’aide de différents dispositifs de mesures locales à distance, dans la pièce ou dans la poudre (thermocouples, pyromètres, caméras thermiques). Cette instrumentation complexe sur machine industrielle pourra être développée sur une machine EBM modifiable et sur un banc expérimental SLM dédié à la recherche et développé sur un autre projet.
Le troisième objectif est de prédire les déformations des pièces par simulation. L’approche la plus simple repose sur l’intégration de gradients thermiques et de phénomènes de dilatation au sein de la pièce ; de manière plus fine, il faut simuler le dépôt de couches successives avec gradients thermiques. Dans un second temps, une démarche complémentaire de simulations hybrides sera développée afin de réduire drastiquement les temps de calcul avec une approche à base de macro-éléments.

Fort de la connaissance générée, il sera mis en place des outils d’aide à la conception, à l’industrialisation des pièces et au pilotage du procédé. Les facteurs d’influence des paramètres sur la géométrie permettront d’évaluer de manière efficace les valeurs des réglages en conciliant qualité et productivité. Par ailleurs, la connaissance générée doit être capitalisée pour la conception des pièces sous forme de règles de conception ou de contraintes pour l’optimisation topologique. Les résultats attendus permettront de réduire le cycle de développement des pièces avec un objectif de première pièce produite conforme.

Le consortium menant le projet regroupe les compétences de deux laboratoires de recherche : l’I2M (Institut de Mécanique et d’Ingénierie, Bordeaux) développe depuis 2 ans un axe prioritaire autour du procédé SLM, il a déjà une longue expérience dans le domaine de la métrologie 3D des pièces et l’analyse des surfaces, en simulation numérique et possède une expertise reconnue dans la mesure et la simulation des phénomènes thermiques, G-SCOP (Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production, Grenoble), possède un savoir-faire important en fabrication additive, particulièrement sur le procédé EBM avec de nombreux retours d’expérience.