Après le succès de la Conférence NAFEMS de juin 2016 qui a réuni plus de 190 participants et 70 intervenants, NAFEMS France a organisé la Conférence NAFEMS 2018 du 14 au 15 Novembre. Cette dernièrea été l’occasion pour les équipes de CTIF de prononcer la conférence « Simulation numérique du procédé de fabrication additive de fusion laser sur lit de poudre » avec la contribution d’ESI Group. En voici une synthèse :

Les possibilités du procédé SLM

Le procédé SLM (fusion sur lit de poudre), permet de réaliser des pièces complexes  avec un large panel de poudres métalliques. Ce procédé  peut réduire considérablement les temps et les coûts de fabrication par rapport à la fabrication conventionnelle. Il met en jeu un certain nombre de disciplines physiques étroitement liées entre elles. On trouve  principalement la thermique (fusion, conduction, convection, rayonnement), la mécanique (comportement, contraintes et déformations) et la métallurgie (composition chimique, phases en présence, cristallographie). La complexité du procédé réside dans l’interaction entre les différents phénomènes physiques mis en jeux (distribution de la poudre, fusion du lit de poudre, interaction laser matière, transformation de phases, zones affectés thermiquement, contraintes résiduelles, flux thermiques, contraintes thermomécaniques ….), qui rend le comportement mécanique de la pièce finale difficilement prédictible.

Le problème majeur de ce procédé réside dans l’apparition des contraintes résiduelles et les déformations qui peuvent altérer considérablement les propriétés mécaniques de l’objet final et limiter ainsi son utilisation. La simulation numérique permet d’appréhender l’impact des paramètres du procédé de fabrication sur l’apparition des contraintes résiduelles et des déformations, et de prédire la formation de défauts et leur influence sur le comportement mécanique de la pièce. L’approche approche multi-échelle consiste à modéliser les interactions entre les différents physiques, de l’échelle micro, en passant par l’échelle méso jusqu’à l’échelle finale de la pièce, l’échelle macro.

De l’échelle méso à l’échelle macro

A l’échelle micro on va s’intéresser à la distribution de la poudre et étudier l’interaction du laser avec la matière pour ensuite modéliser l’évolution de la microstructure et prédire la formation de défauts durant la fusion/solidification (modélisation thermo-hydraulique à l’échelle du bain de fusion).

L’échelle méso se situe à l’échelle du cordon et permet de modéliser la thermique du processus, en étudiant le champ thermique dans la zone fondu et sa morphologie (bain et cordon) mais également la formation des défauts comme les porosités et les Keyholes. Cette approche permet d’estimer l’histoire thermique et les contraintes résiduelles locales.

L’échelle macro qui s’intéresse à la pièce finale. Elle permet de modéliser les contraintes résiduelles et les déformations sous chargement thermomécanique en prenant compte les aspects géométriques, l’orientation de la pièce ou encore la position et la nature des supports.

La simulation numérique multi-échelle va donc permettre d’appréhender l’impact des paramètres du procédé de fabrication sur l’apparition des contraintes résiduelles (et la déformation des pièces) et de prédire également la formation des défauts et leur influence sur le comportement mécanique de la pièce. IL y a donc ce que la simulation est capable de simuler (représentation de la physique) mais il y a aussi la question de savoir comment elle va le faire, avec quels paramètres numériques (maillage, épaisseurs de couches, hypothèses de supportage, etc…).

Simulation du procédé SLM, mise en couche et bain fusion – Solution ESI Additive Manufacturing

Dans cette communication les aspects numériques de la modélisation multi-échelle ont été introduits. L’influence des paramètres numériques et expérimentaux sur la validation des modèles numériques ont été discutés.

Finalement, la contribution de la modélisation numérique multi-échelle dans la maturation et l’optimisation du procédé SLM ont été abordées.

Pour plus d’informations sur cette conférence, contactez Didier Linxe.