Soutenance mémoire
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 (Figure 1.1). 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 (Figure 1.2). 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.
Frittage laser sélectif
Le frittage laser sélectif (SLS) est un procédé de FA constitué de minces couches de poudre étalée et tassée sur une plateforme. Cette poudre est ensuite préchauffée à une température légèrement inférieure au point de fusion du matériau brut. Un laser balaye une section transversale du modèle 3D, chauffant ainsi cette section à une température légèrement supérieure ou égale au point de fusion du matériau. Ceci implique la fusion de manière mécanique des particules qui forment finalement une pièce solide (Figure 1.3). Une nouvelle couche de poudre est déposée sur la précédente et fusionnée jusqu’à ce que la pièce finale en 3D soit construite. L’excédent de poudre non fusionnée, servant de support durant la fabrication, est ensuite éliminé par un système d’aspiration. La répartition de la taille de la poudre et le tassement, qui déterminent la densité de la pièce imprimée, sont les paramètres les plus cruciaux pour l’efficacité de cette méthode [Utela+2008]. La fine résolution et la haute précision d’impression sont les principaux avantages de cette technologie. Ceci permet son utilisation pour la réalisation de structures complexes. Les principaux inconvénients de cette technologie, dont le temps de fabrication est élevé, sont les coûts élevés et une porosité importante en fonction des paramètres. Le SLS est un procédé qui peut s’appliquer à différents matériaux tels que les polymères, les matériaux céramiques et les métaux. Un laser de haute puissance est donc chargé de faire fondre les poudres.
Les procédés par projection de poudre
Les procédés par projection de poudre ou dépôt d’énergie direct (DED) sont des technologies de FA qui sont principalement utilisées pour des matériaux métalliques. Ces procédés sont aussi connus sous le nom de :
— Laser Engineered Net Shaping LENS
— Laser Solid Forming LSF
— Directed Light Fabrication DLF
— Direct Metal Deposition DMD
Dans cette technique, la source d’énergie thermique est soit un laser ou un flux d’électron. Une buse commandée par un ordinateur se déplace au-dessus d’une surface et le matériau en poudre est introduit à travers cette dernière de manière coaxiale à la source de chaleur (Figure 1.4). Une pression d’air ou de gaz inertes propulse la matière première à l’extrémité du laser et, après avoir atteint la surface de dépôt, les matériaux sont fondus par le spot laser focalisé à densité d’énergie variable [Diegel+2019]. Aucun lit de poudre n’est utilisé. Dans le DED, la matière première est fondue avant le dépôt, comme dans le cas du FDM, mais avec une quantité d’énergie plus élevée. Par rapport au SLS, il a une plus faible précision géométrique et nécessite parfois un post-traitement tel que l’usinage. Ce procédé est capable de fabriquer des géométries complexes comme les autres technologies de FA. Pour certains designs, des supports et/ou des surplombs sont utilisés. Cette méthode permet également le dépôt sur plusieurs axes et le dépôt simultané de plusieurs matériaux [Diegel+2019]. Les paramètres affectant la qualité du processus et des composants sont : la vitesse d’alimentation des matériaux, la réflexivité des matériaux, le point de fusion de la matière première, la puissance du laser et la vitesse de balayage du laser. En ajustant ces paramètres, on obtient une grande souplesse dans la fabrication de différents matériaux. L’utilisation de poudre métallique nécessite une enceinte fermée pour des contraintes sanitaires. Ceci implique une limitation sur la taille des pièces fabriquées.
Cependant, en raison du coût élevé de la poudre métallique, du faible taux d’utilisation des matériaux (20 à 30 %), de la pollution de l’environnement et de la mise en danger de la santé de l’opérateur, l’utilisation de la technologie à base de poudre a été sérieusement limitée [Huang+2021]. C’est la raison pour laquelle récemment l’utilisation de fil métallique avec une source d’énergie laser fait l’objet d’étude, car il présente l’avantage d’une plus grande utilisation des matériaux (presque 100 %), d’un taux de dépôt plus élevé, d’un coût des matériaux plus faible et d’une pollution moindre [Huang+2021].
Fabrication additive par soudage à l’arc : le WAAM
De nos jours, la fabrication additive par soudage à l’arc (WAAM) attire de plus en plus l’attention du secteur de la fabrication industrielle. Cet intérêt grandissant est dû à la capacité de cette technologie à créer de grands composants métalliques avec un taux de dépôt élevé pouvant atteindre 10 kg/h, un faible coût d’équipement et un respect de l’environnement [Williams+2015]. Ce procédé de fabrication est introduit dans les années 1925 par Baker et al. [R Baker1925]. Il associe un arc électrique, tel qu’il est habituellement utilisé pour le soudage, comme source de chaleur avec des fils métalliques comme matière première pour la formation de dépôts en vue de produire des structures métalliques [R Baker1925]. Le processus de fabrication est représenté schématiquement sur la Figure 1.5a. Reposant sur les concepts fondamentaux des procédés de soudages automatisés, le WAAM peut être divisé, selon la nature de la source de chaleur, en trois types de processus :
— Gas Metal Arc Welding GMAW
— Gas Tungsten Arc Welding GTAW
— Plasma Arc Welding PAW .
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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
Conclusion
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