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Thèse Année : 2012

Multiphysics modeling of the Laser-based Direct Metal Deposition process to improve the final surface finish

Modélisation multiphysique du procédé de Fabrication Rapide par Projection Laser en vue d'améliorer l'état de surface final

Simon Morville
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 938686

Résumé

Direct Manufacturing Laser Deposition is an innovative process that allows the manufacturing of fully densified parts with complex geometries. However, the development of this manufacturing technique is still limited, in particular due to the irregular surfaces. The purpose of this work is to better understand the complex mechanisms responsible for the delaterious surface based on numerical simulation results performed with the COMSOL Multiphysics® software. A first task was to validate the physical model and thermophysical properties. Thermohydraulic model with free surface include the surface tension effects and the deformation of the geometry is treated with a moving mesh based on ALE method. This predictive model has been transposed to the DMLD process incorporating the material addition. 2D modelling are performed to analyze the effect of process parameters on the shape of the melt pool, before modelling multilayer deposition and showing the surface irregularities. The study is later extended to a 3D case. The self-consistency of the model can predict the shape of deposits only from the operating parameters. In this approach, the substrate and the liquid bath are decoupled from the gaseous environment. The powder stream is treated separately with a 3D model calculating the trajectory of the particles. The prediction of different numerical models is validated through several experimental data.
La Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) est un procédé novateur qui permet la réalisation de pièces de géométrie complexe à partir d'un jet de poudre. Les pièces sont obtenues en superposant différentes couches de matière à l'aide d'une buse coaxiale avec un faisceau laser. Cette technique de fabrication, très rapide, reste cependant peu répandue, en particulier du fait de l'irrégularité des surfaces. L'objet de ce travail est de développer des modèles numériques capables de prédire le paramètre d'ondulations caractérisant l'état de surface à partir uniquement des paramètres opératoires et des propriétés thermophysiques du substrat et de la poudre, dans le but de mieux comprendre les mécanismes responsables de l'état de surface dégradé. Une première étude a porté sur la fusion locale d'un barreau vertical sous l'action d'un laser afin de valider la mise en données du modèle numérique. Ce modèle thermohydraulique inclut les effets de tension superficielle et utilise la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) pour suivre la déformation de la surface libre. Ce modèle prédictif a été transposé au procédé FDPL en intégrant l'apport de matière dû au jet de poudre. Les caractéristiques de ce jet de poudre sont obtenues grâce à un modèle 3D prédisant la trajectoire des particules et leur échauffement sous l'action du faisceau laser. Ces données servent à définir les conditions aux limites de modèles 2D thermohydrauliques du bain fondu. Nous avons ainsi retrouvé, pour un substrat mince, la corrélation établie expérimentalement entre l'amplitude des ondulations et le taux de dilution. Il a été montré que, dans le cas de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, un meilleur état de surface est obtenu pour une forte puissance laser, une vitesse de défilement élevée et un faible débit massique. La simulation 2D de dépôts multicouches a permis d'étudier l'influence de la stratégie de balayage et du temps de pause entre couches. Une étude de sensibilité a également été menée afin d'analyser le rôle de paramètres tels que le coefficient thermocapillaire ou la viscosité. L'étude a par la suite été étendue à un cas 3D pour étudier l'effet de la distribution énergétique du faisceau laser ainsi que les propriétés thermophysiques. La prédiction des différents modèles numériques développés à l'aide du code de calcul COMSOL Multiphysics® est validée grâce à des données expérimentales.
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Dates et versions

tel-00806691 , version 1 (02-04-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00806691 , version 1

Citer

Simon Morville. Modélisation multiphysique du procédé de Fabrication Rapide par Projection Laser en vue d'améliorer l'état de surface final. Thermique [physics.class-ph]. Université de Bretagne Sud, 2012. Français. ⟨NNT : 2012LORIS280⟩. ⟨tel-00806691⟩

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