Thèse : Vaibhav NAIN : Modélisation thermomécanique performante de grandes pièces fabriquées par procédés de fabrication additive laser par dépôt de poudre

• Pr Michel BELLET, Ecole des Mines, ParisTech, CEMEF

• Dr Pierre JOYOT, Enseignant-Chercheur HDR, Ecole Supérieure des Technologies Industrielles Avancées (ESTIA)
• Pr Muriel CARIN, Université Bretagne Suf, Directrice de thèse
• Dr Thierry ENGEL, Maître de Conférences, INSA Strasbourg, Co-Encadrant de thèse
• Dr Patrice PEYRE, Directeur de Recherche, Centre National des Arts et Métiers, Lab. PIMM
• Dr Anne-Marie HABRAKEN, Directrice de Recherche FNRS, Université de Kiège
• Dr Iryna TOMASHCHUK, Maître de Conférences HDR, Université de Franche-Comté
• M. Didier BOISSELIER, Ingénieur, IREPA-LASER Illkirch, membre invité

Un pot aura lieu à l'IREPA-LASER à l'issue de la soutenance

Résumé :

Les procédés de fabrication additive laser par dépôt de poudre offrent une opportunité unique pour la fabrication de grandes pièces à géométrie complexe. Cependant, les déformations mécaniques induites par ces procédés entrainent des défauts pouvant conduire à des pièces rebutées. Au cours de cette thèse, différents modèles ont donc été développés pour mieux comprendre l'apparition de ces déformations en fonction des paramètres opératoires. Un premier modèle thermomécanique prédit le comportement élastoplastique lors de la construction d'un mur en acier inoxydable 316L. L'apport de chaleur est modélisé par une source double ellipsoidale mobile et la construction des couches se fait à l'aide d'une méthode hybride " Quiet/Active élément". Un écrouissage isotrope non linéaire est considéré, avec prise en compte de la restauration d'écrouissage à hautes températures. Afin de réduire drastiquement les temps de calcul, une nouvelle source de chaleur est proposée utilisant une source ellipsoidale allongée qui moyenne l'énergie sur un intervalle d'espace et de temps. Cependant, un intervalle d'espace trop grand diminue la précision du modèle. De nouveaux paramètres sont alors introduits afin d'identifier le meilleur compromis entre temps de calcul et précision. De nouveaux paramètres sont alors introduits afin d'identifier le meilleur compromis entre temps de calcul et précision. L'ensemble des modèles proposés est confronté avec succès avec des données expérimentales en termes de température et déplacement et ce pour différents paramètres opératoires. Enfin, des modèles multi-échelles basés l'activation par couche ou les méthodes de déformations inhérentes sont étudiés en vue de réduire les temps de calcul.

Mots clés : Fabrication additive laser par dépôt de poudre, Modèle thermomécanique, Loi de comportement élastoplastique, Restauration de l'écrouissage, Distorsions, Acier inoxydable 316L

Abstract :

Directed Energy Deposition (DED) Additive Manufacturing technology offers a unique possibility of fabricating large-scale complex-shape parts. However, proces-induced deformation in the fabricated part is still a big obstacle in successfully fabricating large-scale parts. Therefore, multiple numerical models have developed to understand the accumulation of induced deformation in the fabricated part. The first model predicts the thermo-elastoplastic behaviour that captures the laser movement. The laser-material interaction and metal deposition are modeled by employing a double ellipsoid heat source and the Quiet/ Active material activation method respectively. The model considers isotropic non-linear material hardening to represent actual metal behaviour. It also employs an instantaneous stress relaxation model to simulate the effects of physical phenomena like annealing, solid-state phase transformation, and melting. Using this model as a reference case, an efficient model is developed with an objective to reduce the computation time and make it feasible to simulate large-part. The model employs an Elongated Ellipsoid heat source that averages the heat source over the laser path which reduces the computational burden drastically. Howewer, averaging over large path results in inaccurate results. Therefore, new parameters are developed that identify the best compromise between computation time reduction and accuracy. Both models are validated with experimental data obtained from several experiments with different process paremeters. Finally, other Multi-scale methods such as the Layer-by-layer method and Inherent Strain-based methods are implemented and explored.

Keywords : Directed Energy Deposition Additive Manufacturing, Themomechanical model, Elastoplastic behavior, Stress relaxation model, Distortions, Strainless Steel 316L