Numerical modeling of the selective laser sintering process
Modélisation numérique du frittage laser des polymères en poudre
Résumé
Laser sintering (SLS) is one of the additive manufacturing processes using the laser as energy source to fuse and agglomerate powdered polymer materials. Although this technique has attracted so much interest from industry and academics, there is still a lack of understanding of many physical phenomena to describe them correctly by mathematical models to propose process improvements. This thesis is dedicated to modeling and simulation of the SLS process to explore some of the material-process-final properties relationships for sintering semi-crystalline polymers. A macroscopic modeling approach based on the hypothesis of homogeneous equivalent medium is proposed. A transient 3D multiphysical model was developed using the finite volume method. It considers the laser-powder interaction through a volume source term, heat transfer and phase change from the solid powder state with an initial air ratio to the melted state and again to the solid state while taking into account the different kinetics of melting, densification, crystallization and the evolution of the material properties in the thermal environment of the process. In addition, the transient nature of the process and the dynamic evolution of the geometry of the system with the addition of powder layers are taken into account in the model. The model is first validated numerically and then compared to measurements from the literature. Then, as part of the ANR project, the material concerned is PA6 Sinterline, its properties characterized by our project partner (IMP) were used in the models. The effect of the process parameters: laser power, scanning speed, preheating temperature of the powder, temperature of the bulting base and the thickness of the powder layers on the densification and crystallization of the sintered material were analyzed. The effect of rheological characteristics and particle size on the consolidation quality of the sintered polymer is also investigated. The results show the potential of the proposed model for simulation and optimization of the SLS process. This work ends with the future extensions on which researchs must focus in order to improve the understanding and control of the process.
Le frittage laser (SLS) est l'un des procédés de la fabrication additive utilisant le laser comme source d'énergie pour fusionner et agglomérer des poudres de matériaux et réaliser des pièces en polymère. Bien que cette technique a suscité beaucoup l'intérêt des industriels et des académiques, il reste encore de nombreux phénomènes physiques nécessitant des investigations et analyses pour mieux les comprendre, les décrire correctement par des modèles mathématiques et de proposer des améliorations du procédé. Ce travail de thèse est dédié à la modélisation et la simulation du procédé SLS pour explorer certaines des relations matériau-procédé-propriétés finales pour le frittage des polymères semi-cristallins. Une approche de modélisation macroscopique basée sur l'hypothèse du milieu homogène équivalent est proposée. Un modèle multiphysique 3D transitoire a été développé en utilisant la méthode des volumes finis. L'interaction laser-poudre est considérée par le biais d'un terme source de volume, le transfert de chaleur et le changement de phase à partir de l'état poudre solide présentant un taux d'air initial vers l'état fondu et de nouveau vers l'état solide tout en prenant en compte les différentes cinétiques de fusion, de densification, de cristallisation et l'évolution des propriétés du matériau dans l'environnement thermique du procédé. En outre, la nature transitoire du procédé et l'évolution dynamique de la géométrie du système avec l'ajout des couches de poudre sont pris en compte dans le modèle. Le modèle est validé dans un premier temps numériquement puis par rapport à des mesures de la littérature. Ensuite, dans le cadre du projet ANR, le matériau concerné est le PA6 Sinterline, dont les propriétés caractérisées par notre partenaire du projet (IMP) ont été utilisées dans les modèles. L'effet des paramètres machine : puissance laser, vitesse de scanne, température de préchauffage de la poudre, température du bac de fabrication et l'épaisseur des couches de poudre sur la densification et la cristallisation du matériau fritté on été analysés. L'effet des caractéristiques rhéologiques et de la taille des particules sur la qualité de consolidation du polymère fritté est également investigué. Les résultats montrent le potentiel du modèle proposé pour la simulation et l'optimisation du procédé SLS. Ce travail se termine par les futures extensions sur lesquels les travaux de recherche doivent s'orienter afin d'améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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