Simulation numérique 3D du procédé de fusion laser de poudres thermoplastiques pour la prédiction des propriétés microstructurales et des déformées des pièces – 3D-SLS

Ce projet porte sur le procédé de fusion laser de poudres polymères (selective laser sintering ou SLS), un procédé de fabrication additive permettant de produire des pièces plastiques par fusion de poudre à l’aide d’un faisceau laser. Les procédés additifs permettent de réduire considérablement le temps de mise sur le marché grâce à l’absence d’outillage et à une grande flexibilité. Des réticences existent toutefois à l’égard du SLS, car le procédé n’est pas encore bien maîtrisé, la qualité des pièces insuffisante et la gamme des matériaux disponibles trop restreinte. L’objectif du projet est de lever certains verrous scientifiques et technologiques pour permettre la diffusion du SLS dans divers secteurs industriels.

Le cœur de ce travail est la modélisation et la simulation numérique de l’ensemble du procédé afin de prédire certaines caractéristiques des pièces finales, telles que la cristallinité et la porosité ainsi que les contraintes et déformations d’origine thermique. Ces objectifs sont de véritables défis car ce procédé n’est pas encore bien compris et il n’existe aucun code de simulation à ce jour. En outre, cette simulation doit être menée en 3D et prendre en compte tous les couplages multiphysiques qui permettent d’inclure l’histoire thermique du matériau et la thermodépendance de ses propriétés au cours de la modélisation de ses transformations (fusion, coalescence, densification, cristallisation).

Les paramètres physiques, les équations cinétiques et constitutives nécessaires à l’alimentation du code de calcul pour décrire le comportement du matériau seront déterminés expérimentalement, au moyen de techniques de caractérisation courantes mais aussi d’expériences modèles à différentes échelles (de l’échelle macromoléculaire à celle de l’objet). Par exemple, l’interaction laser/polymère devra être caractérisée en fonction de l’épaisseur et de la densité de la poudre, et la diffusion de gaz dans le fondu devra être modélisée.

Le matériau choisi pour l’étude est le PA6 que SOLVAY synthétisera sous forme de poudres aux caractéristiques soigneusement ajustées (morphologie et distribution de taille des particules, masse molaire). En faisant varier ces paramètres-clés, on comprendra mieux leur influence sur les propriétés finales des pièces et on évaluera la robustesse de la simulation. Ce projet permettra d’optimiser les caractéristiques du PA6 pour le SLS, offrant ainsi à d’éventuels nouveaux utilisateurs l’accès à une matière plus technique.

La simulation numérique sera menée à une échelle mésoscopique en utilisant le concept de matériau homogène équivalent. La résolution par éléments finis sera menée avec le logiciel COMSOL® et une interface MATLAB® pour introduire les lois de couplage. Les équations d’Avrami et de Schneider seront mises en œuvre pour modéliser l’avancement de la cristallisation et la taille des entités sphérolitiques. Au cours du refroidissement, un critère de taux de cristallinité sera ajusté pour définir la transition liquide/solide à partir de laquelle on supposera que les contraintes et déformations commencent à se développer sous l’effet du retrait. La relaxation des contraintes et le calcul des déformations conduisant au voilage des pièces seront pris en compte dans le cadre de la viscoélasticité linéaire.

Les résultats des simulations seront validés par confrontation à des données expérimentales. D’une part des essais d’instrumentation par caméra thermique en cours de fabrication sur la machine de POLY-SHAPE permettront de réaliser un suivi de l’histoire thermique. D’autre part, des pièces fabriquées dans différentes conditions (puissance et vitesse de balayage du laser, espacement de hachurage) seront caractérisées en termes de microstructure cristalline, de porosité et de déformation pour comparaison avec les prédictions du calcul.
Les relations entre caractéristiques du matériau, conditions de procédé et propriétés des pièces seront clarifiées grâce à l’apport de la simulation numérique.