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Simulation numérique de la fabrication additive métallique SLM.

La simulation numérique joue un rôle très important dans la prédiction du comportement mécanique des pièces issues de la fabrication additive. La simulation du SLM permet en effet d’appréhender l’impact des paramètres du procédé de fabrication (puissance du laser, recouvrement des passes, …, stratégie de lasage) sur l’apparition des contraintes résiduelles (et la déformation des pièces) et de prédire également la formation des défauts (porosités) et leurs influences sur le comportement mécanique de la pièce.

Le procédé de fabrication additive SLM

Des phénomènes thermique mécanique et métallurgie en fabrication additive SLM.

Le procédé SLM (fusion sur lit de poudre), le plus répandu en fabrication additive métallique, 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 aux procédés de fabrication conventionnels. Le procédé SLM 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 enfin la métallurgie (composition chimique, phases en présence, cristallographie, changement de phase).

La modélisation multi-échelle (micro, méso et macro)

L’objectif de la modélisation numérique multi-échelle est de comprendre l’impact de l’interaction entre les différents phénomènes physiques mis en jeux durant la fusion et la solidification sur le comportement mécanique finale de la pièce fabriquée. Elle permet aussi de réduire le recours à l’expérimentation ce qui amortit considérablement le temps et le coût  de l’investigation.

La modélisation à l’échelle micro (échelle de la poudre)

Dans la modélisation à l’échelle micro, on s’intéresse à l’interaction laser/matière et en particulier à la réflectivité et l’absorption du rayon laser pour estimer la quantité d’énergie thermique absorbée par la poudre. La modélisation de la distribution spatiale des particules sur le lit de poudre joue un rôle important dans la zone affectée thermiquement (ZAT). C’est en effet dans cette zone que l’on définit les propriétés thermo-physiques du processus de transfert thermique durant la fabrication. La modélisation du bain de fusion permet de caractériser sa dynamique, l’effet des phénomènes physiques durant la fusion (tension de surface, effet de marangoni, pression de recul) sur sa forme géométrique et sur les mécanismes de formation des défauts (porosités, keyholes, …).

Modélisation de la mise en couche

Effet de la vitesse de lasage sur la densité relative du lit de poudre.

Au cours de la fabrication SLM, chaque nouvelle couche nécessite une nouvelle distribution de particules de poudre sur le socle de fabrication (spreding). Les propriétés physiques du bain de fusion, le mécanisme de formation des porosités et la qualité finale de la pièce dépendent étroitement de l’uniformité du lit de poudre et de sa densité relative. En effet, la présence des porosités durant la mise en couche peut influencer le bain de fusion et augmenter la probabilité de piéger des gaz dans le matériau solidifié, d’où la formation des défauts notamment des porosités et des keyholes. Les densités raisonnables sont comprises entre 45 % et 60 %. Parmi les approches phares utilisées dans la modélisation de la mise en couche, on peut signaler l’approche DEM (Discrete Element Method). Cette méthode est basée sur l’assemblage d’éléments distincts, déformables ou non, et reliés entre eux par des lois très simples qui permettent de représenter le comportement du matériau. Elle est très répandue pour les matériaux granulaires, car elle représente naturellement la cinématique de ces matériaux et leur comportement discontinu.

Modélisation de l’apport  thermique

Modélisation de la pénétration du laser dans la poudre en fabrication additive métallique.

Durant le lasage, le lit de poudre est bombardé par un rayon laser puissant et de très courte durée. L’énergie photonique est alors transformée en énergie thermique par absorption. La poudre permet une pénétration en profondeur du rayon laser grâce à de multiples réflexions à la surface des particules. L’énergie thermique absorbée dépend de la densité relative et des propriétés réflectives du lit de poudre. Les paramètres fonctionnels qui influencent l’intensité du faisceau laser sont la puissance, la vitesse de déplacement, l’espacement entre passes (hatch distance) et la longueur du scan.

Modélisation du bain de fusion

La modélisation du bain de fusion a pour but de comprendre l’interaction entre les différentes physiques du procédé lors de la phase de fusion et de solidification. En effet, la géométrie du bain de fusion impacte considérablement la microstructure qui dépend étroitement de la vitesse et de la puissance du laser. Durant la fusion, les très forts gradients de température provoquent un mouvement de convection qui dirige le métal fondu vers les parois du bain de fusion. C’est ainsi que se forment les keyholes ou capillaires. A la fin, des bulles de gaz peuvent être piégées et peuvent ne plus pouvoir s’échapper – du fait d’un temps de solidification très court – ce qui provoque la formation de porosités.

Simulation numérique du bain de fusion en SLM – crédit photo Andreas Otto.

La modélisation à l’échelle méso

La modélisation à l’échelle méso s’intéresse à l’échelle de la couche ; elle porte sur la formation du cordon du bain de fusion et l’apparition des défauts et des irrégularités. A ce stade, la simulation va aider à comprendre l’évolution de la microstructure issue du procédé SLM. Elle permet aussi d’estimer l’histoire thermique et les contraintes résiduelles locales au voisinage de la zone fondue, point de départ pour modéliser les contraintes résiduelles à l’échelle macro.

Modélisation à l’échelle méso – fabrication additive SLM.

Plusieurs approches numériques se sont développées pour la modélisation du bain et du cordon de fusion, telle que l’approche ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian), une approche hybride (Lagrangienne /eulérienne) très flexible qui peut être utilisée pour la modélisation de la zone fondue a l’échelle micro et pour la modélisation du cordon à l’échelle méso. L’approche level-Set est utilisée, quant à elle, d’une part pour suivre l’évolution à l’échelle microscopique de la surface du bain fusion et d’autre part à échelle mésoscopique pour modéliser l’évolution du cordon en prenant en compte certaines hypothèses sur le milieu. Ces deux approches sont basées sur la méthode des éléments finis. D’autres approches basées sur la méthode des volumes finis sont utilisées pour la simulation de la dynamique du bain de fusion.

La modélisation à l’échelle macro

La modélisation à l’échelle macro prend en compte les contraintes résiduelles et la déformation finale à l’échelle de la pièce. L’approche macro n’envisage pas de prédire la forme du bain de fusion et les défauts qui en résultent dans certaines approches, mais essentiellement les  transferts thermiques macroscopiques et leurs conséquences sur la tenue de la pièce et sur sa durée de vie. On s’intéresse ici à la modélisation de l’apport en énergie, thermomécanique et à la modélisation géométrique de la pièce finale. La plupart des modèles macro sont basés sur la méthode des éléments finis.

Origine des contraintes résiduelles et de distorsion

Origine des déformations et contraintes dans les pièces en fabrication additive SLM.

L’histoire thermique complexe des pièces fabriquées par fusion sur lit de poudre conduit à des contraintes résiduelles, ayant un impact significatif sur la qualité de la pièce. En effet, durant le processus de fabrication, l’apport important en énergie et la lente évacuation thermique par la conduction de chaleur dans les couches sous-jacentes entraînent de forts gradients thermiques et provoquent des contraintes internes. Lorsque le laser refond la couche de poudre en surface, le matériau se dilate subissant l’influence de son voisinage, ce qui provoque une contrainte de compression.

Si la limite d’élasticité du matériau est atteinte, une déformation plastique va se produire. Au refroidissement, c’est le mécanisme inverse qui se produit. En effet, la contraction de la zone fondue due au refroidissement, limité par son voisinage, entraîne une contrainte résiduelle de traction à la surface de la couche. Au fil du temps, les contraintes résiduelles locales  s’accumulent et peuvent provoquer des fissures et/ou le délaminage des couches ou des fissures.

Modélisation numérique

La plupart des modèles utilisés dans la simulation numérique à l’échelle macroscopique sont basés sur la méthode des éléments finis. L’une des stratégies les plus utilisées pour la modélisation est la technique d’activation des éléments (finite-element activation strategy). En effet, au départ, la pièce est totalement construite en éléments inactifs et les propriétés mécaniques et thermiques sont nulles. Suivant la stratégie de lasage, un élément est dit activé (attribution des propriétés mécaniques et thermiques) s’il croise le faisceau du laser. Sinon, il reste inactif. Cette méthode présente un inconvénient en termes de temps de calcul – qui est relativement élevé – mais en contrepartie, elle permet une description très réaliste du procédé.

La simulation du SLM multi-échelle, un outil incontournable

Pour l’optimisation du procédé de fusion sur lit de poudre, il est important de comprendre l’interaction entre les différents phénomènes physiques (thermique, mécanique, métallurgie) et leurs conséquences sur les propriétés mécaniques de la pièce finale à différentes échelles. C’est pourquoi la simulation numérique multi–échelle décrite dans cet article s’avère être un outil incontournable pour la bonne compréhension  du procédé.