Optimisation de l'interpolation de trajectoires en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre – ORACLE
Optimisation de l'interpolation de trajectoires en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre
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Enjeux et objectifs
En Fabrication Additive par fusion laser sur lit de poudre (PBF-LB), les caractéristiques mécaniques et la géométrique des pièces produites sont générées au cours de la fabrication. Ces deux aspects sont grandement influencés par les trajectoires du spot laser et par la maitrise locale de l’énergie apportée à la matière. La commande numérique (CN) ayant pour rôle de générer les consignes à envoyer aux actionneurs a donc un impact conséquent sur la qualité des pièces produites. Une analyse de plusieurs CN industrielles a montré que les traitements internes peuvent induire des surfusions locales conduisant à une dégradation de la qualité des pièces produites. Le projet ORACLE vise donc à développer une CN en fabrication additive PBF-LB. Plus spécifiquement, il s’agit de modéliser et d’intégrer nativement les contraintes relatives à la machine (galvanomètres et source laser), au procédé et à la production dans les traitements effectués par la CN. Ces travaux ont pour but de maitriser localement l’énergie apportée à la matière lors de la fusion. Pour parvenir à cela, le projet vise à lever les verrous scientifiques et technologiques suivants : 1) Développer une solution de contrôle-commande permettant de piloter les actionneurs. 2) Optimiser localement les trajectoires et la puissance du laser en tenant compte des contraintes machines et procédé. Ce projet cherche donc à bâtir une architecture de commande afin de répondre aux enjeux techniques et scientifiques actuels et futurs.
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Les résultats attendus à l’issue du projet sont matériels d’une part, avec le développement d’une commande numérique et son intégration dans une machine de fabrication additive industrielle, et théoriques et expérimentaux d’autre part, avec le développement de stratégies d’interpolation permettant d’améliorer la maitrise de l’énergie apportée à la matière. La mise en place de cette CN ouverte revêt un aspect pluridisciplinaire entre les domaines de l’informatique industrielle et de la mécanique. Cette CN permettra de valider expérimentalement plusieurs approches de la littérature développées uniquement en employant des simulations avec de fortes hypothèses, faute d’ouverture dans les machines actuelles. Enfin, le développement d’une CN permettra sur le long terme d’initier de nombreux travaux sur le contrôle en temps réel des actionneurs en se basant sur de la mesure in-situ. Il sera par exemple possible dans les zones identifiées comme problématiques de ne pas avoir à générer de nouveau l’ensemble des trajectoires, mais seulement de moduler localement les paramètres. Ces travaux rendront donc possible la création d’une ou plusieurs boucles de rétroaction à 100kHz en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre. La modélisation et la maitrise des comportements thermiques, cinématiques et dynamiques du procédé et de la machine permettra également de mieux appréhender le développement et la portabilité des recettes de fabrication d’une machine à une autre.
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Ettaieb K.; et al. Offline laser power modulation in LPBF additive manufacturing including kinematic and technological constraints. Rapid Prototyping Journal. 2023, 80-91
Une des contributions scientifiques du projet ORACLE est de mettre en lumières les traitements existants effectués par la CN. Après six mois de travail, nous avons développé une solution matérielle et une architecture logicielle permettant de récupérer à 100kHz les consignes et les retours codeurs. Cela a conduit à mieux comprendre les traitements effectués par la CN sur la trajectoire FAO et leurs impacts sur la trajectoire effective du spot laser. Depuis le lancement du projet ORACLE, des simulations du comportement de la machine couplé à des simulations thermiques ont mis en évidence et l’intérêt de maîtriser localement et à tout instant les paramètres de fabrication.
En fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre, les caractéristiques mécaniques et la géométrique des pièces produites sont générées au cours de la fabrication. Ces deux aspects sont grandement influencés par les trajectoires du spot laser et par la maitrise locale de l’énergie apportée à la matière. La commande numérique ayant pour rôle de générer les consignes à envoyer aux actionneurs a donc un impact conséquent sur la qualité des pièces produites. Une analyse de plusieurs commandes numériques industrielles employées en fabrication additive a montré que les traitements internes peuvent induire des surfusions locales conduisant à une dégradation de la qualité des pièces produites.
Le projet ORACLE vise donc à développer une commande numérique en fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre. Plus spécifiquement, il s’agit de modéliser et d’intégrer nativement les contraintes relatives à la machine (galvanomètres et source laser), au procédé et à la production dans les traitements effectués par la commande numérique. Ces travaux ont pour but de maitriser localement l’énergie apportée à la matière lors de la fusion. Pour parvenir à cet objectif, le projet vise à lever les verrous scientifiques et technologiques suivants : 1) développer une solution de contrôle-commande permettant de piloter les actionneurs et 2) optimiser localement les trajectoires et la puissance du laser en tenant compte des contraintes machines et procédé.
Au travers de ces deux verrous, le projet ORACLE cherche donc à mettre en lumière l’impact des différents traitements effectués dans la CN en fabrication additive et à bâtir une architecture de commande permettant de répondre aux enjeux techniques et scientifiques actuels et futurs.
Coordination du projet
Kevin Godineau (Ecole normale supérieure Paris-Saclay)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
I2M Université de Bordeaux
LURPA Ecole normale supérieure Paris-Saclay
Aide de l'ANR 247 628 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2022
- 48 Mois
