Technologie de FA classique
Stรฉrรฉolithographie
La stรฉrรฉolithographie (SLA) est lโune des premiรจres mรฉthodes de fabrication additive et la plus utilisรฉe. Elle peut produire des piรจces en polymรจre trรจs prรฉcises et dรฉtaillรฉes. Elle utilise un laser UVย de haute puissance, trรจs focalisรฉ, pour tracer des coupes transversales successives dโun objet tridimensionnel dans une cuve de polymรจre photosensible liquide (Figure 1.1). Lorsque le laser trace la couche, le polymรจre se solidifie et les zones en excรจs sont laissรฉes comme liquide. Une fois la couche terminรฉe, la plateforme est abaissรฉe dโune distance รฉgale ร lโรฉpaisseur de la couche. Ensuite une nouvelle couche est formรฉe au-dessus des couches prรฉcรฉdentes complรฉtรฉes. Ce processus est rรฉpรฉtรฉ jusquโร la fin de la construction. Une fois terminรฉe, la piรจce est รฉlevรฉe au-dessus de la cuve et รฉgouttรฉe. Dans de nombreux cas, un post-traitement tel que le chauffage dans un four UV peut รชtre utilisรฉ afin dโobtenir les performances mรฉcaniques souhaitรฉes. La SLA peut imprimer des piรจces de haute qualitรฉ avec une rรฉsolution pouvant atteindre 20 ยตm [Melchels+2010]. Dโautre part, elle est relativement lente, coรปteuse et la gamme de matรฉriaux pour lโimpression est limitรฉe. Lโรฉnergie de la source lumineuse et lโexposition sont les principaux facteurs contrรดlant lโรฉpaisseur de chaque couche [Melchels+2010].
Le dรฉpรดt de fil fondu
La fabrication additive par dรฉpรดt de fil (FDM) est souvent considรฉrรฉe comme la plus basique. Elle repose sur trois รฉlรฉments principaux : un substrat sur lequel est imprimรฉ la piรจce, une bobine de filament en plastique et une tรชte dโextrusion รฉgalement appelรฉe extruder ou buse (Figure 1.2). Le plus gรฉnรฉralement, le dรฉplacement de la buse se fait sur 3 axes (x, y, z). Le filament utilisรฉ comme matรฉriau dโapport, est entraรฎnรฉ et fondu au niveau de la buse. Celle-ci est constituรฉe dโรฉlรฉments rรฉsistifs qui maintiennent le plastique ร son point fusion afin de faciliter son รฉcoulement ร travers la buse. Ensuite, le plastique liquide est dรฉposรฉ sur le substrat ou sur la couche prรฉcรฉdente imprimรฉe pour former une nouvelle surface aprรจs durcissement. La buse รฉcrase le matรฉriau fondu et assure une hauteur de couche constante tout au long de la fabrication. Une fois la couche construite, le plateau sโabaisse et la buse dรฉpose une nouvelle couche. Lโรฉpaisseur de la couche, lโorientation et la largeur des filaments additionnรฉes aux pores (dans la mรชme couche ou entre les couches) sont les principaux paramรจtres de fabrication qui affectent les propriรฉtรฉs mรฉcaniques des piรจces imprimรฉes [Mohamed+2015]. La distorsion entre les couches sโest avรฉrรฉe รชtre la principale cause de faiblesse mรฉcanique [Sood+2010]. Dโautre part, de faibles propriรฉtรฉs mรฉcaniques, un aspect couche par couche, une mauvaise qualitรฉ de surface [Chohan+2017] et un nombre limitรฉ de matรฉriaux thermoplastiques sont les principaux inconvรฉnients du FDM. Lors de lโimpression, des supports peuvent รชtre utilisรฉs comme des รฉchafaudages. Ils viennent supporter les parties susceptibles de sโรฉcrouler. Ces supports peuvent รชtre dans le mรชme matรฉriau que lโobjet imprimรฉ ou soluble dans lโeau. Le dรฉveloppement en libre ยซย open-sourceย ยป fait que cette technologie sโest rรฉpandue auprรจs du grand public.
Frittage laser sรฉlectif
Le frittage laser sรฉlectif (SLS) est un procรฉdรฉ de FA constituรฉ de minces couches de poudre รฉtalรฉe et tassรฉe sur une plateforme. Cette poudre est ensuite prรฉchauffรฉe ร une tempรฉrature lรฉgรจrement infรฉrieure au point de fusion du matรฉriau brut. Un laser balaye une section transversale du modรจle 3D, chauffant ainsi cette section ร une tempรฉrature lรฉgรจrement supรฉrieure ou รฉgale au point de fusion du matรฉriau. Ceci implique la fusion de maniรจre mรฉcanique des particules qui forment finalement une piรจce solide (Figure 1.3). Une nouvelle couche de poudre est dรฉposรฉe sur la prรฉcรฉdente et fusionnรฉe jusquโร ce que la piรจce finale en 3D soit construite. Lโexcรฉdent de poudre non fusionnรฉe, servant de support durant la fabrication, est ensuite รฉliminรฉ par un systรจme dโaspiration. La rรฉpartition de la taille de la poudre et le tassement, qui dรฉterminent la densitรฉ de la piรจce imprimรฉe, sont les paramรจtres les plus cruciaux pour lโefficacitรฉ de cette mรฉthode [Utela+2008]. La fine rรฉsolution et la haute prรฉcision dโimpression sont les principaux avantages de cette technologie. Ceci permet son utilisation pour la rรฉalisation de structures complexes. Les principaux inconvรฉnients de cette technologie, dont le temps de fabrication est รฉlevรฉ, sont les coรปts รฉlevรฉs et une porositรฉ importante en fonction des paramรจtres. Le SLS est un procรฉdรฉ qui peut sโappliquer ร diffรฉrents matรฉriaux tels que les polymรจres, les matรฉriaux cรฉramiques et les mรฉtaux. Un laser de haute puissance est donc chargรฉ de faire fondre les poudres.
Les procรฉdรฉs par projection de poudre
Les procรฉdรฉs par projection de poudre ou dรฉpรดt dโรฉnergie direct (DED) sont des technologies de FA qui sont principalement utilisรฉes pour des matรฉriaux mรฉtalliques. Cesย procรฉdรฉs sont aussi connus sous le nom de :
โ Laser Engineered Net Shaping LENS
โ Laser Solid Forming LSF
โ Directed Light Fabrication DLF
โ Direct Metal Deposition DMD
Dans cette technique, la source dโรฉnergie thermique est soit un laser ou un flux dโรฉlectron. Une buse commandรฉe par un ordinateur se dรฉplace au-dessus dโune surface et le matรฉriau en poudre est introduit ร travers cette derniรจre de maniรจre coaxiale ร la source de chaleur (Figure 1.4). Une pression dโair ou de gaz inertes propulse la matiรจre premiรจre ร lโextrรฉmitรฉ du laser et, aprรจs avoir atteint la surface de dรฉpรดt, les matรฉriaux sont fondus par le spot laser focalisรฉ ร densitรฉ dโรฉnergie variable [Diegel+2019]. Aucun lit de poudre nโest utilisรฉ. Dans le DED, la matiรจre premiรจre est fondue avant le dรฉpรดt, comme dans le cas du FDM, mais avec une quantitรฉ dโรฉnergie plus รฉlevรฉe. Par rapport au SLS, il a une plus faible prรฉcision gรฉomรฉtrique et nรฉcessite parfois un post-traitement tel que lโusinage. Ce procรฉdรฉ est capable de fabriquer des gรฉomรฉtries complexes comme les autres technologies de FA. Pour certains designs, des supports et/ou des surplombs sont utilisรฉs. Cette mรฉthode permet รฉgalement le dรฉpรดt sur plusieurs axes et le dรฉpรดt simultanรฉ de plusieurs matรฉriaux [Diegel+2019]. Les paramรจtres affectant la qualitรฉ du processus et des composants sont : la vitesse dโalimentation des matรฉriaux, la rรฉflexivitรฉ des matรฉriaux, le point de fusion de la matiรจre premiรจre, la puissance du laser et la vitesse de balayage du laser. En ajustant ces paramรจtres, on obtient une grande souplesse dans la fabrication de diffรฉrents matรฉriaux. Lโutilisation de poudre mรฉtallique nรฉcessite une enceinte fermรฉe pour des contraintes sanitaires. Ceci implique une limitation sur la taille des piรจces fabriquรฉes.
Cependant, en raison du coรปt รฉlevรฉ de la poudre mรฉtallique, du faible taux dโutilisation des matรฉriaux (20 ร 30 %), de la pollution de lโenvironnement et de la mise en danger de la santรฉ de lโopรฉrateur, lโutilisation de la technologie ร base de poudre a รฉtรฉ sรฉrieusement limitรฉe [Huang+2021]. Cโest la raison pour laquelle rรฉcemment lโutilisation de fil mรฉtallique avec une source dโรฉnergie laser fait lโobjet dโรฉtude, car il prรฉsente lโavantage dโune plus grande utilisation des matรฉriaux (presque 100 %), dโun taux de dรฉpรดt plus รฉlevรฉ, dโun coรปt des matรฉriaux plus faible et dโune pollution moindre [Huang+2021].
Fabrication additive par soudage ร lโarc : le WAAMย
De nos jours, la fabrication additive par soudage ร lโarc (WAAM) attire de plus en plus lโattention du secteur de la fabrication industrielle. Cet intรฉrรชt grandissant est dรป ร la capacitรฉ de cette technologie ร crรฉer de grands composants mรฉtalliques avec un taux de dรฉpรดt รฉlevรฉ pouvant atteindre 10 kg/h, un faible coรปt dโรฉquipement et un respect de lโenvironnement [Williams+2015]. Ce procรฉdรฉ de fabrication est introduit dans les annรฉes 1925 par Baker et al. [R Baker1925]. Il associe un arc รฉlectrique, tel quโil est habituellement utilisรฉ pour le soudage, comme source de chaleur avec des fils mรฉtalliques comme matiรจre premiรจre pour la formation de dรฉpรดts en vue de produire des structures mรฉtalliques [R Baker1925]. Le processus de fabrication est reprรฉsentรฉ schรฉmatiquement sur la Figure 1.5a. Reposant sur les concepts fondamentaux des procรฉdรฉs de soudages automatisรฉs, le WAAM peut รชtre divisรฉ, selon la nature de la source de chaleur, en trois types de processus :
โ Gas Metal Arc Welding GMAW
โ Gas Tungsten Arc Welding GTAW
โ Plasma Arc Welding PAW .
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Table des matiรจres
Introduction
1 รtat de lโart
1.1 Gรฉnรฉralitรฉs
1.2 Technologie de FA classique
1.2.1 Stรฉrรฉolithographie
1.2.2 Le dรฉpรดt de fil fondu
1.2.3 Frittage laser sรฉlectif
1.2.4 Les procรฉdรฉs par projection de poudre
1.3 Fabrication additive par soudage ร lโarc: 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 Mรฉtaux utilisรฉs dans le processus WAAM
1.3.5.1 Les alliages de titane
1.3.5.2 Les alliages dโaluminium
1.3.5.3 Les Aciers
1.3.5.4 les alliages ร base de nickel
1.3.6 Techniques dโamรฉlioration des structures issues du procรฉdรฉ WAAM
1.3.6.1 Roulage ร froid
1.3.6.2 Systรจme de martelage mรฉcanique
1.3.6.3 Refroidissement inter-couches
1.3.6.4 Prรฉchauffage du substrat
1.3.6.5 Mรฉcanisme de protection gazeuse
1.3.7 Structures issues du WAAM
1.4 Chaรฎne numรฉrique pour la fabrication additive
1.4.1 Prรฉ-traitement
1.4.2 Processus de planification : Orientation, support
1.4.2.1 Orientation de la piรจce
1.4.2.2 Gรฉnรฉration de support
1.4.3 Processus de planification: Gรฉnรฉration de trajectoire
1.4.3.1 Slicer unidirectionnel
1.4.3.2 Slicer multi-directionnel
1.4.3.3 Stratรฉgie de remplissage de couche 2D
1.4.3.4 Gรฉnรฉration de trajectoire 3D
1.5 Conclusion et organisation du manuscrit
2 Matรฉriel et chaรฎne Numรฉrique
2.1 Introduction
2.2 Matรฉriels
2.2.1 Robot et commande
2.2.2 Procรฉdรฉs de soudage
2.3 Fabrication Assistรฉe par Ordinateur
2.3.1 Environnement de dรฉveloppement pour la partie numรฉrique
2.4 Conclusion
3 Gรฉnรฉration de trajectoire
3.1 Introduction
3.2 Exemple introductif : gรฉnรฉration sur volume simple
3.2.1 Stratรฉgie globale de la GTCT
3.2.2 Gรฉnรฉratrice du cylindre
3.2.3 Discrรฉtisation des gรฉnรฉratrices du cylindre
3.2.4 รlimination de la discontinuitรฉ ร lโinitiation
3.3 Gรฉnรฉration de Trajectoire Continue Tridimensionnelle
3.3.1 Structures avec squelette mono-branche
3.3.2 Dรฉcomposition en gรฉnรฉratrices
3.3.2.1 Stratรฉgie Enveloppe-Projection
3.3.2.2 Stratรฉgie Distance Gรฉodรฉsique
3.3.2.3 Calcul gรฉodรฉsiques sur flux de chaleur [Crane+2013]
3.3.2.4 Stratรฉgie dโiso-valeurs
3.3.2.5 Conclusion sur la dรฉcomposition en gรฉnรฉratrices
3.3.3 Discrรฉtisation des gรฉnรฉratrices
3.3.4 Repรจre de Frenet et hauteur de couche
3.3.5 Critรจre de faisabilitรฉ
3.4 Application de la GTCT
3.4.1 Structures ouvertes
3.4.1.1 Stratรฉgie enveloppe-projection
3.4.1.2 Stratรฉgie distance gรฉodรฉsique
3.4.1.3 Stratรฉgie iso-valeurs
3.4.2 Structures fermรฉes
3.4.2.1 Stratรฉgie distance gรฉodรฉsique
3.4.2.2 Stratรฉgie iso-valeurs
3.4.3 Structures multi-branches
3.5 Conclusion
4 Application de GTCT
4.1 Introduction
4.2 Physique du dรฉpรดt
4.2.1 Conservation de la masse
4.2.2 Comportement du bain liquide
4.2.3 Section des cordons
4.2.4 Relation Paramรจtres procรฉdรฉs – gรฉomรฉtrie
4.2.5 Dรฉpots courbes
4.2.6 Conclusion
4.3 Analyse dรฉpรดt lors de fabrication avec GTCT
4.3.1 Analyse de la vitesse de dรฉplacement
4.3.2 Gestion collision
4.3.2.1 Dรฉtection de la collision
4.3.2.2 Gestion du conflit
4.4 Fabrication de structures
4.4.1 Structures ouvertes
4.4.1.1 ยซย Trompe dโรฉlรฉphantย ยป
4.4.1.2 ยซย Patte dโรฉlรฉphantย ยป
4.4.2 Structures fermรฉes
4.4.2.1 dรดme
4.4.2.2 Joystick dโavion
4.5 Conclusion
Conclusion
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