Comportement mécanique anisotrope basé sur la structure de grain pour la simulation de fusion par faisceau laser à l'échelle de la pièce avec un modèle d'ordre réduit – GRAMME

La fusion par faisceau laser (LBM) est l'une des techniques privilégiées de fabrication additive (FA) permettant, par l’intermédiaire d’un lit de poudre métalliques, d’élaborer des composants denses de morphologies quasi-définitives. En particulier, ce procédé, amenant à un cycle de conception-fabrication rapide, est intéressant pour des pièces de géométries complexes, expliquant l’intérêt suscité dans les domaines industriels et universitaires. Cependant, durant le procédé, le gradient thermique et la vitesse de refroidissement extrêmement élevés conduisent à une solidification rapide du bain de fusion, au développement d’une microstructure dendritique colonnaire dirigée dans la direction de construction de la pièce. Ces microstructures particulières conduisent à des propriétés mécaniques fortement anisotropes. La maitrise du comportement mécanique induit par cette microstructure, en cours de construction, est une des problématiques de première importance, notamment pour des structures complexes.

Pour maîtriser cette réponse mécanique et éviter les approches d’essais – erreurs coûteuses, différentes échelles et méthodes numériques ont été développées dans la littérature pour simuler le procédé SLM, permettant d’investiguer la précision et l’efficacité des modèles de simulation proposés. En contexte industriel, les pièces imprimées sont constituées de milliers de couches, montrant la difficulté d’intégrer le comportement mécanique anisotrope dans le cadre d’une simulation de pièce réelle, dans un temps de calcul raisonnable.

Le projet GRAMME vise à développer une stratégie de couplage efficace et pertinente dans la modélisation de processus LBM entre la croissance des grains et le comportement mécanique anisotrope associé à l'échelle de la pièce pendant et après la construction. Les développements seront réalisés sur l’alliage IN718 qui correspond à une nuance d’intérêt industriel évident. Premièrement, un modèle thermique pertinent sera choisi pour l'approche Cellular Automaton - Finite Element (CAFE) et la prédiction associée de la croissance microstructurale, à l'échelle de la pièce, pendant le processus de construction. Dans un deuxième temps, les lois élasto-visco-plastiques anisotropes seront adaptées à différentes structures de grains pour l'analyse mécanique. Parallèlement à ces étapes, un développement expérimental sera conduit pour valider les approches numériques proposées. La température, la distorsion et les contraintes résiduelles seront mesurées expérimentalement, ainsi que la microstructure finale, à travers une structure simple. Par la suite, ces analyses seront étendues sur une structure complexe. Pour réduire le coût de calcul de la simulation mécanique non linéaire, des approches numériques récentes seront appliquées correspondant au modèle d'ordre réduit et au modèle d'ordre hyper-réduit.

L'objectif à long terme est de rendre les outils de simulation LBM dédiés aux pièces monocristallines ou polycristallines accessibles et intégrables dans des outils d'optimisation automatique des paramètres procédés, des outils de conception interactifs, ou des systèmes de contrôle de construction en temps réel. La diffusion de ces outils pour les ingénieurs en conception et production représenterait un avantage concurrentiel décisif.
D'un point de vue personnel, le Chercheur Principal (PI) de ce projet a construit une solide expérience en comportement mécanique anisotrope avant son intégration en tant que Chargé de Recherche au sein de MINES ParisTech CEMEF. Un tel comportement mécanique anisotrope est un élément clé manquant à MINES ParisTech pour les analyses du traitement de solidification, c'est-à-dire une simulation de couplage de la formation de microstructure à partir du liquide avec la réponse mécanique de la structure développée. Le projet GRAMME va clairement implanter cette nouvelle activité scientifique et son PI à MINES ParisTech CEMEF.