Estimations in-situ de champs de contrainte résiduelle hétérogènes et transitoires en fabrication additive via l'effet acousto-élastique – ITHERATE

Les conséquences dramatiques des contraintes résiduelles en fabrication additive en font une problématique scientifique de premier plan. Un verrou majeur concerne la validation expérimentale des simulations du procédé, rendue difficile par les restrictions des méthodes de mesure des contraintes: connaissance de la loi de comportement, démarche destructive et post-fabrication.

Une procédure expérimentale originale est proposée, basée sur l'effet géométrique associé à la théorie de l'acouto-élasticité, qui fait intervenir de façon directe l'état de contraintes quasi-statique initial dans les équations du mouvement dynamique. On s'appuie sur le développement récent de méthodes de mesures de champs associées à des analyses originales en nombres d'ondes et en analyse modale. Celles-ci fournissent des données spatio-temporelles riches permettant d'outrepasser les limitations actuelles des mesures de contrainte. En particulier, on envisage une estimation directe (c.a.d. sans a-priori sur le comportement des matériaux) de champs de contraintes hétérogènes et transitoires applicable in-situ, de façon à caractériser la formation des contraintes résiduelles en cours de fabrication.

La proposition soulève naturellement des questions associées à l'influence de la géométrie de la pièce sur les estimations ainsi que la bonne séparation des échelles de temps et d'espace entre le champ de déplacement dynamique estimateur et le champ de contraintes à estimer. Des difficultés liées au moyen d’excitation ainsi qu’à l’instrumentation in-situ des procédés sont aussi identifiées.

Une méthodologie en deux axes est proposée: [WP1] formulation et validation de la procédure d’estimation, avec en sous-tâches 1) identification du domaine de faisabilité sur le problème direct associé à l’effet des précontraintes sur le comportement dynamique de la structure, 2) formulation de la méthode inverse pour l’estimation et 3) validation expérimentale sur des champs de contrainte élémentaires et comparaisons avec des résultats de référence obtenus par Diffraction des Rayons X ; [WP2] application in-situ de la procédure d’estimation en fabrication additive, avec 1) développement d’un dispositif de mesure dynamique plein champ continu, 2) mise en place d’une expérience modèle (plaque chauffée localement) permettent d’étudier de façon contrôlée la faisabilité de l’estimation d’un champ de contrainte hétérogène transitoire, 3) application in-situ sur les procédés Fused Filament Fabrication (FFF) et Wire Laser Additive Manufacturing.

Ce projet transverse, porté par Pierre Margerit au PIMM, exploite des outils uniques disponibles au laboratoire : bancs de fabrication additive adaptés aux mesure de champs, méthodes inverses en contrôle non destructif et mesure automatisées de contraintes par DRX. Il lui permettra, au vu de l’impact scientifique, économique et sociétal des recherches effectuées (identifiées comme stratégiques par la direction du PIMM dans le cadre de l’évaluation HCERES 2023), de développer son réseau de collaborations locales, nationales et internationales.