Soutenance mémoire
La notion de fabrication additive (FA) désigne différents procédés permettant de restituer physiquement des objets 3D décrits par leurs données de conception assistée par ordinateur CAO. La FA est réalisable avec plusieurs matériaux et décrit une nouvelle façon de produire des objets en procédant par ajout de matière. Elle s’oppose aux procédés classiques soustractifs tels que l’usinage, le fraisage ou les différents procédés de découpe. Ces techniques plus anciennes, et encore aujourd’hui plus conventionnelles, consistent à retirer de la matière d’un volume initial afin d’obtenir la forme souhaitée. Les procédés de FA quant à eux, permettent de s’affranchir de toutes les étapes de mise en œuvre de la fabrication : pas de conception d’outillage (moule de fonderie, d’injection plastique, outillage forge) ni de définition ou d’organisation de différentes phases de fabrication (cas de l’usinage ou du fraisage). Ces nouvelles technologies permettent également de fabriquer des composants complexes qu’il serait difficile, voire impossible, de fabriquer avec les méthodes soustractives. Elles permettent également de réduire le gaspillage de matériaux.
Ces dernières années, les technologies de fabrication additive se sont développées avec une maîtrise croissante des procédés. Initialement, la FA a été appliquée pour créer des prototypes en plastique en peu de temps, mais dernièrement, l’accent de la recherche sur la FA a été orienté vers la possibilité de fabriquer des structures métalliques complexes. Cette orientation vers le métallique est dû aux différentes applications dans l’industrie aéronautique, la dentisterie, l’automobile et le naval… Les applications les plus courantes sont : la visualisation et la validation expérimentale de la conception de produits (prototypage), la fabrication d’outillage industriel, la création de produits hautement personnalisés au client, la production de composants en petites séries. De nos jours, l’utilisation de la fabrication additive est la plus pertinente dans les applications aéronautiques et spatiales, car la complexité géométrique des objets et la réduction de matière permettent d’obtenir des structures légères optimisés entraînant une réduction du nombre de composants. Ces besoins peuvent être transposés à d’autres secteurs d’activités comme par exemple l’automobile.
Un éventail de matériaux est actuellement utilisé pour la FA comme introduit précédemment avec les métaux et les polymères, mais il existe aussi des technologies à base de céramiques et de béton. Dans ces travaux, les technologies de FA métalliques sont le centre d’intérêt. Ils existent plusieurs procédés de FA métallique qui peuvent être classés par leur manière de fournir la matière (poudre ou fil). Les technologies les plus utilisées sont celles à base de poudre métalliques dans lesquelles l’énergie est apportée par un laser ou un faisceau d’électrons. Ces technologies sont les plus utilisées car, elles fournissent des pièces de très bonnes précisions en raison de la résolution des dépôts qui est de l’ordre du micron. La FA se faisant par empilements de couches ces technologies ont différents inconvénients :
— Du fait de la résolution de l’ordre du micron du dépôt, les temps de production sont relativement élevés.
— Le volume de construction est limité par la technologie, ce qui limite la fabrication à des pièces de petites et moyennes tailles.
— L’utilisation de supports pour éviter des effondrements.
— Le matériau métallique étant sous forme de poudre, l’hygiène et la sécurité doivent être assurées. Ceci explique le coût important d’achat et d’installation de ces technologies.
L’alternative aux technologies à base de poudre est celle par dépôt de fil fondu par laser ou arc. Ces technologies sont connues sous le nom anglais « Wire Additive Manufacturing » WAAM. En général, l’arc électrique est utilisé comme source d’énergie et nécessite un fil métallique comme matière première qui est fondu et déposé couche par couche. Ces dernières années, le WAAM est de plus en plus adopté dans le milieu universitaire et industriel en raison de ces avantages techniques par rapport à ceux à base de poudre. Parmi ses différents avantages, on peut citer :
— Un faible coût d’investissement en équipement. Les composants peuvent facilement être dérivés des équipements de l’industrie mature du soudage.
— Pas de nécessité d’un environnement clos. La matière première étant du fil métallique qui est couramment utilisé dans le domaine du soudage, le WAAM n’a pas besoin d’un tel dispositif. L’absence d’environnement clos permet la fabrication de structures de grandes dimensions sans limite théorique.
— Les taux de dépôt, c’est-à-dire la quantité de matière déposée, sont très élevés (de l’ordre de quelques kilogrammes par heures). Ceci permet la production de structure de grandes dimensions en peu de temps.
— Une fabrication de structures en surplombs sans utilisation de supports grâce à une construction suivant plusieurs directions. Ceci permet une réduction de la quantité de matière à utiliser entraînant une réduction des coûts.
Généralités
Les procédés de fabrication additive FA deviennent de plus en plus présent dans la société, le monde scientifique et industriel. Cet intérêt pour ces technologies est essentiellement dû à une activité principalement ludique pour le grand public et à la promesse d’une réduction des coût et du temps de fabrication pour le côté industriel. Ces technologies permettent également la conception de structures complexes permettant un gain de poids, comme par exemple des structures issues d’optimisation topologique. Il existe plusieurs technologies de FA mais chacune de celles-ci est une combinaison de système de mouvement, de source d’énergie et de matière première. En fonction du choix de chacun de ces éléments, chaque procédé de FA présente des avantages et inconvénients et est naturellement adapté à certaines applications. À titre d’exemple, les procédés FA à base de poudre métallique permettent d’obtenir des pièces nettes avec une résolution élevée en raison de leurs hauteurs de dépôt faible, par contre les vitesses de fabrication sont faibles et la taille des pièces est limitée par l’enveloppe présente pour des questions hygiène et de sécurité. Ainsi, cette catégorie de procédés est la mieux adaptée aux petits composants très complexes. Parmi les différents procédés de FA, le WAAM s’impose comme la technologie idéale pour la fabrication de structure de grandes dimensions rapidement. Son faible coût d’achat et de productions de pièces fait de cette technologie l’une des moins chères du marché. L’espace de travail n’est pas limité par un volume, permettant ainsi la fabrication de structures de grandes dimensions sans limitation théorique. Une construction sans utilisation de support permet de fabriquer des structures en surplomb sans gaspillage supplémentaire. Par contre cette technologie fournit des structures simples avec une mauvaise résolution. La qualité des pièces dépend des trajectoires par lesquelles elles sont fabriquées. Ces problématiques feront l’objet d’étude. L’étude bibliographique réalisée dans le cadre du travail de thèse établira tout d’abord un état de l’art des différentes technologies de FA avec une focalisation sur celles métalliques. Une description détaillée du procédé WAAM est faite en décrivant les différents procédés de soudages les matériaux utilisés et les différentes variantes de ce procédé. Une description de la stratégie de génération de trajectoire dans ce procédé et les limitations qu’il induit sont discutées. En conclusion, une nouvelle méthode de génération de trajectoire est proposée pour résoudre les différents verrous issus de la génération de trajectoire actuelle.
Technologie de FA classique
Stéréolithographie
La stéréolithographie (SLA) est l’une des premières méthodes de fabrication additive et la plus utilisée. Elle peut produire des pièces en polymère très précises et détaillées. Elle utilise un laser UV de haute puissance, très focalisé, pour tracer des coupes transversales successives d’un objet tridimensionnel dans une cuve de polymère photosensible liquide . Lorsque le laser trace la couche, le polymère se solidifie et les zones en excès sont laissées comme liquide. Une fois la couche terminée, la plateforme est abaissée d’une distance égale à l’épaisseur de la couche. Ensuite une nouvelle couche est formée au-dessus des couches précédentes complétées. Ce processus est répété jusqu’à la fin de la construction. Une fois terminée, la pièce est élevée au-dessus de la cuve et égouttée. Dans de nombreux cas, un post-traitement tel que le chauffage dans un four UV peut être utilisé afin d’obtenir les performances mécaniques souhaitées. La SLA peut imprimer des pièces de haute qualité avec une résolution pouvant atteindre 20 µm [Melchels+2010]. D’autre part, elle est relativement lente, coûteuse et la gamme de matériaux pour l’impression est limitée. L’énergie de la source lumineuse et l’exposition sont les principaux facteurs contrôlant l’épaisseur de chaque couche [Melchels+2010].
Le dépôt de fil fondu
La fabrication additive par dépôt de fil (FDM) est souvent considérée comme la plus basique. Elle repose sur trois éléments principaux : un substrat sur lequel est imprimé la pièce, une bobine de filament en plastique et une tête d’extrusion également appelée extruder ou buse . Le plus généralement, le déplacement de la buse se fait sur 3 axes (x, y, z). Le filament utilisé comme matériau d’apport, est entraîné et fondu au niveau de la buse. Celle-ci est constituée d’éléments résistifs qui maintiennent le plastique à son point fusion afin de faciliter son écoulement à travers la buse. Ensuite, le plastique liquide est déposé sur le substrat ou sur la couche précédente imprimée pour former une nouvelle surface après durcissement. La buse écrase le matériau fondu et assure une hauteur de couche constante tout au long de la fabrication. Une fois la couche construite, le plateau s’abaisse et la buse dépose une nouvelle couche. L’épaisseur de la couche, l’orientation et la largeur des filaments additionnées aux pores (dans la même couche ou entre les couches) sont les principaux paramètres de fabrication qui affectent les propriétés mécaniques des pièces imprimées [Mohamed+2015]. La distorsion entre les couches s’est avérée être la principale cause de faiblesse mécanique [Sood+2010]. D’autre part, de faibles propriétés mécaniques, un aspect couche par couche, une mauvaise qualité de surface [Chohan+2017] et un nombre limité de matériaux thermoplastiques sont les principaux inconvénients du FDM. Lors de l’impression, des supports peuvent être utilisés comme des échafaudages. Ils viennent supporter les parties susceptibles de s’écrouler. Ces supports peuvent être dans le même matériau que l’objet imprimé ou soluble dans l’eau. Le développement en libre « open-source » fait que cette technologie s’est répandue auprès du grand public.
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Table des matières
Introduction
1 État de l’art
1.1 Généralités
1.2 Technologie de FA classique
1.2.1 Stéréolithographie
1.2.2 Le dépôt de fil fondu
1.2.3 Frittage laser sélectif
1.2.4 Les procédés par projection de poudre
1.3 Fabrication additive par soudage à l’arc: le WAAM
1.3.1 Gas Tungsten Arc Welding (GTAW)
1.3.2 Plasma Arc Welding (PAW)
1.3.3 Gas Metal Arc Welding (GMAW)
1.3.4 Cold Metal Transfer (CMT)
1.3.5 Métaux utilisés dans le processus WAAM
1.3.5.1 Les alliages de titane
1.3.5.2 Les alliages d’aluminium
1.3.5.3 Les Aciers
1.3.5.4 les alliages à base de nickel
1.3.6 Techniques d’amélioration des structures issues du procédé WAAM
1.3.6.1 Roulage à froid
1.3.6.2 Système de martelage mécanique
1.3.6.3 Refroidissement inter-couches
1.3.6.4 Préchauffage du substrat
1.3.6.5 Mécanisme de protection gazeuse
1.3.7 Structures issues du WAAM
1.4 Chaîne numérique pour la fabrication additive
1.4.1 Pré-traitement
1.4.2 Processus de planification : Orientation, support
1.4.2.1 Orientation de la pièce
1.4.2.2 Génération de support
1.4.3 Processus de planification: Génération de trajectoire
1.4.3.1 Slicer unidirectionnel
1.4.3.2 Slicer multi-directionnel
1.4.3.3 Stratégie de remplissage de couche 2D
1.4.3.4 Génération de trajectoire 3D
1.5 Conclusion et organisation du manuscrit
2 Matériel et chaîne Numérique
2.1 Introduction
2.2 Matériels
2.2.1 Robot et commande
2.2.2 Procédés de soudage
2.3 Fabrication Assistée par Ordinateur
2.3.1 Environnement de développement pour la partie numérique
2.4 Conclusion
3 Génération de trajectoire
3.1 Introduction
3.2 Exemple introductif : génération sur volume simple
3.2.1 Stratégie globale de la GTCT
3.2.2 Génératrice du cylindre
3.2.3 Discrétisation des génératrices du cylindre
3.2.4 Élimination de la discontinuité à l’initiation
3.3 Génération de Trajectoire Continue Tridimensionnelle
3.3.1 Structures avec squelette mono-branche
3.3.2 Décomposition en génératrices
3.3.2.1 Stratégie Enveloppe-Projection
3.3.2.2 Stratégie Distance Géodésique
3.3.2.3 Calcul géodésiques sur flux de chaleur [Crane+2013]
3.3.2.4 Stratégie d’iso-valeurs
3.3.2.5 Conclusion sur la décomposition en génératrices
3.3.3 Discrétisation des génératrices
3.3.4 Repère de Frenet et hauteur de couche
3.3.5 Critère de faisabilité
3.4 Application de la GTCT
3.4.1 Structures ouvertes
3.4.1.1 Stratégie enveloppe-projection
3.4.1.2 Stratégie distance géodésique
3.4.1.3 Stratégie iso-valeurs
3.4.2 Structures fermées
3.4.2.1 Stratégie distance géodésique
3.4.2.2 Stratégie iso-valeurs
3.4.3 Structures multi-branches
3.5 Conclusion
4 Application de GTCT
4.1 Introduction
4.2 Physique du dépôt
4.2.1 Conservation de la masse
4.2.2 Comportement du bain liquide
4.2.3 Section des cordons
4.2.4 Relation Paramètres procédés – géométrie
4.2.5 Dépots courbes
4.2.6 Conclusion
4.3 Analyse dépôt lors de fabrication avec GTCT
4.3.1 Analyse de la vitesse de déplacement
4.3.2 Gestion collision
4.3.2.1 Détection de la collision
4.3.2.2 Gestion du conflit
4.4 Fabrication de structures
4.4.1 Structures ouvertes
4.4.1.1 « Trompe d’éléphant »
4.4.1.2 « Patte d’éléphant »
4.4.2 Structures fermées
4.4.2.1 dôme
4.4.2.2 Joystick d’avion
4.5 Conclusion
5 Modélisation thermique
5.1 Introduction
5.2 Thermique dans le WAAM
5.2.1 Modélisation de l’apport de matière
5.2.1.1 Simulation diphasique
5.2.1.2 Méthode d’activation d’éléments
5.2.1.3 Méthode de modification géométrique
5.2.2 Modèle de source de chaleur
5.3 Modélisation thermique par éléments finis
5.3.1 Théorie des éléments finis
5.3.1.1 Équation de la chaleur
5.3.1.2 Discrétisation temporelle
5.3.2 Hypothèses de modélisation
5.3.3 Maillage
5.3.4 Élement T3
5.3.4.1 Repère local
5.3.4.2 Vérification du programme PYTHON
5.4 Modélisation thermique de la fabrication continue
5.4.1 Calcul des matrices
5.4.2 Conditions aux limites
5.4.2.1 Substrat
5.4.2.2 Source de chaleur
5.4.3 Conditions d’activation
5.5 Résolution
5.6 Résultats et discussions
5.6.1 Champ thermique GTCT
5.6.2 Influence de la vitesse de soudage
5.6.3 Influence de la puissance
5.6.4 Surchauffe de la structure
5.7 Identification des zones à risques
5.8 Conclusion
Conclusion
