Offre de Thèse : Fabrication additive laser / fil : simulation numérique multiphysique du procédé – CFD et microstructure.

Le projet ANR COLUMBO regroupe cinq partenaires académiques (CEMEF, CEA LIST, MssMAT, ICMMO et LURPA). Il vise à développer la contrôlabilité du procédé WLAM (Wire and Laser Additive Manufacturing). Ce procédé de fabrication additive est basé sur la fusion d’un fil d’apport métallique par l’intermédiaire d’une source laser. Il permet de réaliser des dépôts de matière de qualité, dans des conditions régulées en termes de source d’énergie et de vitesse d’apport. Cependant les conditions opératoires amènent à des évolutions thermomécaniques marquées (gradient de température, contraintes …). La microstructure résultante des champs de température est ainsi fortement texturée et anisotrope. De plus, les surfaces des pièces sont marquées par une rugosité importante. Les analyses CND (Contrôle Non Destructifs) des composants en sont affectées en raison de phénomènes d’atténuation et de dispersion ultrasonore. Le projet COLUMBO ambitionne ainsi de proposer, à terme, des méthodes de contrôlabilité des pièces en cours d’élaboration, basée sur une connaissance approfondie et une maitrise du développement des microstructures formées en cours de procédé.

Le CEMEF a développé, ces dernières années, différents outils de modélisation numérique des procédés de fabrication additive. Le premier est dédié à l'échelle des dépôts incrémentaux de la matière formant les cordons comme présenté à la figure a). Ce modèle résout un problème thermohydraulique avec interface libre. Il peut être appliqué à quelques millimètres de cordons dans des stratégies de dépôts variables [1,2]. Le pendant de ce modèle à l’échelle de la pièce est illustré en figure c). Il se concentre sur l’évolution thermomécanique en cours de fabrication [4]. Finalement, le VER de la structure de solidification montré à la figure b) peut être déduit par couplage avec les calculs précédents. Les méthodes numériques utilisées dans la modélisation de ces procédés sont les éléments finis (résolution thermomécanique), les automates cellulaires (structure de grains) et l’approche level set (suivi de l’interface libre métal - gaz).

Figure : Simulation du procédé de fabrication additive, plus particulièrement a) d’un cordon WAAM [Doct. L. Ravix, Projet MACCADAM], b) d’une microstructure LPBF et de sa texture [3]; c) de la thermique d’une pièce complète [4].

Le projet proposé s’appuie ainsi sur les méthodes et outils actuellement accessibles au CEMEF, qui seront adaptés au procédé WLAM. Il s’agira de développer une prédiction fiable des évolutions thermomécaniques à différentes échelles de construction. On s’attachera à appliquer, ensuite, le module de prédiction des évolutions microstructurales des pièces. Les structures développées seront, par la suite, diffusées aux partenaires du projet, en tant que matériaux virtuels, pour l’analyse de la propagation d’ondes ultrasonores, dans le but d’étudier la fiabilité des méthodes d’analyses CND. Pour remplir ces objectifs, on pourra être amené à considérer les modèles de cinétique de croissance dendritique et le comportement mécanique du matériau. L’ensemble des informations apportées par la modélisation devra permettre d’étudier la survenue potentielle de défauts en cours de construction, afin de permettre aux outils de modélisation d’aider à la construction de pièces saines.

Les données expérimentales seront apportées par les autres partenaires de COLUMBO, avec lesquels des échanges réguliers seront réalisés sur l’avancée générale du projet. Ces données serviront à calibrer les modèles proposés par le CEMEF. A terme, il s’agira d’analyser l’influence des propriétés physiques des matériaux et des paramètres procédés sur les propriétés finales du cordon (géométrie, taille, microstructure, déformation, …) et les défauts de fabrication.

L’intégralité des développements numériques réalisés enrichiront la librairie de calcul collaborative du CEMEF, Cimlib (C++). Le/la doctorant(e) recruté(e) bénéficiera ainsi, en contrepartie, des développements réalisés dans cet outil par les autres utilisateurs (méthode de remaillage, résolution numérique, approche parallélisée …). Le/la doctorant(e) recevra une formation et développera ses compétences dans le domaine de la science des matériaux, de la mécanique numérique et des transferts d'énergie et de quantité de mouvement. En complément, il/elle recevra une formation poussée dans le domaine du calcul scientifique et de la programmation, notamment pour maitriser les outils informatiques du CEMEF.

Références bibliographiques :

[1] Alexis Queva, Simulation numérique multiphysique du procédé de fusion laser de lit de poudre - Application aux alliages métalliques d'intérêt aéronautique, Doctorat MINES ParisTech, CEMEF – Sophia Antipolis, 2021

[2] C. Xue, N. Blanc, F. Soulié, C. Bordreuil, F. Deschaux-Beaume, G. Guillemot, M. Bellet, Ch.-A. Gandin, Structure and texture simulations in fusion welding processes – comparison with experimental data, Materialia (2021), 101305

[3] T. Camus, Modelling of microstructures development in laser powder bed fusion process - Application on an IN718 nickel-base superalloy, European Congress And Exhibition On Advanced Materials And Processes – EUROMAT 2021

[4] Y. Zhang, G. Guillemot, M. Bernacki, M. Bellet, Macroscopic thermal finite element modeling of additive metal manufacturing by selective laser melting process, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 331 (2018), 514-535