Soutenance mémoire
Technologie DED-p
La technologie de dépôt sous énergie concentrée – poudre (powder) utilise un matériau d’apport sous forme de poudre, propulsé dans une tête de dépôt par un gaz (inerte ou non) qui permet aussi la protection du bain de fusion contre l’oxydation. L’énergie nécessaire à la fusion du matériau est une énergie thermique, généralement produite par un laser. Le point de focalisation du laser se fait au niveau du point de convergence de la poudre, juste au dessus du point de dépôt, Figure 1.1. Dans le cas d’utilisation de matériaux métalliques, la taille des poudres utilisées est plus importante que celle des technologies sur lit de poudre, de l’ordre de 50 à 150 µm [28, 29]. Si cela permet une certaine finesse des cordons déposés, l’usinage des parties fonctionnelles est tout de même nécessaire pour obtenir la pièce finie. La finesse minimale des cordons ainsi que la faible immobilisation de matériau ont fait que cette technologie fut la première à être implémentée dans des centres d’usinage 5-axes pour effectuer de la fabrication hybride [30], Figure 1.2. Si la technologie DED-p permet une hybridation de la fabrication, de grands volumes de fabrication et des possibilités de rechargement/réparation de pièces, certains inconvénients liés à l’utilisation de poudre sont encore présents. Ceux-ci sont principalement les risques sanitaires pour les opérateurs, des temps de maintenance importants lors du changement de matériau de fabrication, des protections adéquates pour les éléments de guidage de la machine, un coût matériau élevé et un taux de transfert faible (de l’ordre de 30% [31]).
Configurations des moyens de fabrication DED
Chaque technologie de dépôt DED est associée à un porteur, moyen permettant de déplacer le dispositif de dépôt pour fabriquer la pièce, qui comptent a minima 3-axes. Cependant, comme les technologies DED autorisent le dépôt multi-axes, la majorité des porteurs sont des Machine-Outil à Commande Numérique (MOCN) 5-axes [34, 43] ou des bras robotisés 6-axes anthropomorphes [5, 21]. L’utilisation de MOCN sera préférée pour des opérations nécessitant de la précision et/ou de fabrication hybride [34]. En revanche, si les bras robotisés font preuve de moins de précision, l’investissement est moindre (d’un facteur 10 par rapport à une MOCN [34]) et les volumes de fabrication atteignables sont plus élevés [34]. Le suivi de trajectoire multi-axes peut alors se faire en déplaçant le dispositif de dépôt [44] (Figure 1.4a), la pièce [45] (Figure 1.4b) ou les deux [46, 47] (Figure 1.4c). Cependant, dans les cas d’utilisation de matériaux métalliques, une protection contre l’oxydation est nécessaire. Cette protection se fait via un gaz (inerte ou non) et est la plupart du temps locale. En revanche, certains matériaux, tels que le titane, requièrent une protection gazeuse plus conséquente, voire globale [34], Figure 1.5, ce qui peut mener à des difficultés de suivi de trajectoire multi-axes. Dans le reste de ce manuscrit, le porteur associé à la technologie de dépôt WAAM est un bras robotisé 6-axes. Cependant, l’ensemble des travaux de génération de trajectoires présentés au Chapitre 2 seront transposables à toute machine de fabrication additive DED. En revanche, si les robots 6-axes sont plébiscités pour effectuer de la fabrication additive WAAM, leur précision reste inférieure par rapport à celle d’une MOCN.
Influence et gestion de la température en cours de fabrication
Lors de la fabrication additive d’une pièce par un procédé WAAM, le mode de transfert de la matière transmet une quantité de chaleur importante à la pièce. Cette quantité de chaleur peut être à l’origine d’une distorsion géométrique de la pièce en cours de fabrication [36, 49, 55], voire même d’un effondrement de la pièce si le matériau déposé ne se solidifie pas suffisamment rapidement [35]. S’il est possible de diminuer l’apport de chaleur en stoppant le dépôt, les arrêts et démarrages du dépôt sont les phases les plus critiques, augmentant les risques d’inclusions, de retassures et de défauts de forme du cordon [56, 57].Il est donc préférable de diminuer l’apport de chaleur durant le dépôt et c’est pourquoi l’utilisation du procédé de dépôt Cold Metal Transfert (CMT) est recommandé pour effectuer de la fabrication additive WAAM [58, 59]. La technologie CMT est un dérivé du MIG/MAG basée sur une oscillation mécanique du fil à une fréquence d’environ 100 Hz, Figure 1.7. Cette oscillation permet de stabiliser l’arc tout en transférant moins de chaleur lors du soudage. La diminution de la température de dépôt, en plus des bénéfices apportés à la qualité géométrique et métallurgique de la pièce, permet d’augmenter la viscosité du bain liquide, diminuant ainsi les risques d’étalement tout en le rendant moins sensible aux effets aérodynamiques dus au gaz d’inertage [61]. Si minimiser l’apport de chaleur au cours de la fabrication permet de diminuer les distorsions thermiques, celles-ci restent cependant présentes, notamment dues au retrait de solidification lors du passage de la phase liquide à la phase solide du bain de fusion. Afin de limiter leur impact, une méthode proposée par Lockett et al. [26] ou Colegrove et al. [21] consiste à fabriquer symétriquement deux pièces identiques sur un substrat qui sert alors de plan de symétrie. La fabrication de la seconde pièce permet de compenser les déformations dues au dépôt de la première. Cependant, des contraintes résiduelles peuvent subsister, et donc mener à une déformation de la pièce après détachement du substrat [62]. Il peut donc être nécessaire de procéder à un recuit de détensionnement avant de séparer la ou les pièce(s) du substrat. En plus d’induire de potentielles déformations, le cyclage thermique dû à l’empilement de cordons donne des pièces dont les caractéristiques mécaniques sont hétérogènes, notamment parce que l’évacuation de la chaleur diffère en fonction du nombre de couches déposées et de la distance au substrat [53, 63]. La structure du matériau est alors impactée [64, 65, 66, 67] et il peut donc être nécessaire d’intégrer un traitement thermique dans le cycle de production de la pièce [9, 68]. Des procédés mécaniques, tels que le galetage permettant d’affiner la microstructure peuvent aussi être mis en place après chaque dépôt de cordon [66].
Cas des entités uniques présentant un porte-à-faux
Dans le cas des entités uniques présentant un porte-à-faux, une première méthode de génération de chemins de dépôt, proposée par Xiangping et al. [92], consiste à décomposer la pièce en plusieurs sous-ensembles. La méthode du tranchage par niveaux de Z avec une direction de fabrication propre est ensuite appliquée à chaque sous ensemble [93], Cette stratégie est d’ores et déjà mise en œuvre dans des logiciels de FAO commerciaux dédiés à la fabrication additive. En revanche, lorsque la courbure de la pièce augmente, le chemin de dépôt propre à chaque sous-ensemble permettant de minimiser le défaut de forme contient de moins en moins de couches jusqu’à n’en contenir plus qu’une. Une autre méthode de génération de chemins de dépôt consiste alors à effectuer un tranchage de la pièce perpendiculairement à la fibre neutre [90, 94, 95, 96], Figure 1.19b, avec un paramètre ∆passe défini le long de la fibre neutre. Chaque couche est ensuite associée à une direction de fabrication tangente à la fibre neutre.
Direction de fabrication et axe outil
La direction de fabrication peut être imposée par la machine utilisée (cas des machines 3 axes) ou par l’utilisateur. Les axes outil sont alors déterminés selon cette direction de fabrication, avec, par exemple, un dépinçage de l’outil de dépôt selon la direction d’avance (voir Figure 1.14 page 18). Dans le cas où l’utilisateur est libre de fixer la direction de fabrication, celle-ci peut être déclarée localement en chaque point du chemin de dépôt ou globalement, pour chaque couche ou pour l’ensemble du chemin de dépôt. Afin de se passer de supports durant la fabrication, la direction de fabrication permet d’orienter la pièce, l’outil de dépôt ou les deux de manière à ce que de la matière se trouve toujours sous le point de dépôt, évitant ainsi les risques d’effondrements [103, 104]. De plus, afin de maintenir des conditions de gravité identiques au niveau du point de dépôt durant toute la fabrication, il est essentiel que la direction de fabrication soit verticale [105]. Le dépinçage de l’axe outil permet ensuite de faire varier la morphologie du cordon en modifiant l’inclinaison de l’outil par rapport à la direction d’avance [76], de limiter les risques de collision [106] ou encore d’optimiser le mouvement de la machine [107].
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Table des matières
Introduction générale
1 État de l’art
1.1 Technologies de fabrication additive par dépôt sous énergie concentrée
1.2 Conditions de dépôt pour la fabrication additive WAAM
1.3 Génération de trajectoires pour la fabrication additive
1.4 Optimisation d’un moyen robotisé
1.5 Conclusions
2 Trajectoires multi-axes non planes : fabrication additive sans supports et à distance locale inter-couches constante
2.1 Génération de chemins de dépôt pour les pièces de révolution
2.2 Génération analytique de chemins de dépôt : application aux tubulures toriques
2.3 Génération numérique de chemins de dépôt : généralisation
2.4 Détermination d’axes outils
2.5 Conclusions
3 Validation expérimentale : fabrication sur moyen robotisé 6-axes
3.1 Matériel expérimental
3.2 Précision géométrique du moyen de fabrication
3.3 Validation expérimentale de trajectoires
3.4 Conclusions
4 Optimisation couche par couche de la trajectoire dans l’espace articulaire
4.1 Configuration « pièce portée »
4.2 Configuration « dispositif de dépôt porté »
4.3 Conclusions
Conclusion générale et perspectives
Références bibliographiques
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