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Thèse Année : 2022

Modelling of additive manufacturing processes : Case of polymer laser sintering

Modélisation des procédés de fabrication additive : Le cas du frittage laser de polymères

Lan Zhang
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1266635
  • IdRef : 268258945

Résumé

The present work focuses on one of Additive Manufacturing (AM) processes, Selective Laser Sintering (SLS) of polymer powders. It aims at improving, qualifying and validating the numerical tool developed on the one hand and on the other hand understanding and improving SLS processes. The numerical tool developed considers laser beam-polymer powder interaction, melting process, coalescence, air diffusion, porosity evolution, and crystallization. To qualify the numerical work performed and the results obtained, experiments are also conducted to measure surface temperature by an IR camera, sample dimension, and porosity distribution in the manufactured samples by X-ray computed tomography. Important modeling work is realised on laser beam-polymer powder interaction: the Mie theory and the Monte-Carlo method are combined to take scattering into account and propose models for laser heat source. To qualify the proposed scattering models, they are used to perform numerical simulations of single-sweep/single-layer, multi-sweep/single-layer and multi-sweep/multi-layers SLS cases and the results obtained are compared with those provided by the experiments and the Beer-Lambert law. A scattering model distributes laser power in a larger but less deep zone compared with the Beer-Lambert law and numerical simulation using a scattering model predicts better the surface temperature and the thickness of the manufactured samples. Effects of the parameters such as anisotropy factor, porosity of the powder bed and particle size on the scattering model are analysed. Effects of the process parameters such as laser power, scanning speed, scanning space, scanning length, porosity, and preheating temperature are also studied. Another important contribution of the present work concerns the prediction of the averaged porosity and the porosity distribution in the samples manufactured in multi-sweep/multi-layer cases. Comparison of the numerical results with the measurements of X-ray computed tomography shows a reasonable and encouraging agreement.
Le présent travail s'intéresse à l'un des procédés de Frabrication Additive, SLS (Selective Laser Sintering) des poudres de polymère. Il a pour objectif d'améliorer, qualifier et valider l'outil numérique développé d'une part et d'autre part de comprendre et améliorer les procédés SLS. L'outil numérique développé prend en compte l'interaction laser-poudres de polymère, le processus de fusion, la coalescence, la diffusion d'air, l'évolution de la porosité, et la crystalisation. Afin de qualifier les travaux numériques réalisés, les travaux expérimentaux sont également réalisés pour mesurer la température de surface à l'aide d'une caméra IR, les dimesions des échantillons et la ditribution de la porosité dans les échantillons fabriqués à l'aide de la tomographie à rayon X. L'important travail de modélisation a été réalisé sur l'interaction laser-poudres de polymère~: la théorie de Mie et la méthode de Monte-Carlo sont associées pour modéliser la diffusion du laser et proposer des modèles de diffusion. Afin de qualifier les modèles de diffusion proposés, ils sont utilisés dans des simulations numériques et les résultats obtenus sont confrontés avec les mesures expérimentales et les résultats issus du modèle de Beer-Lambert. Le modèle de diffusion distribue la puissance d'un laser sur une zone plus grande et moins profonde par rapport au modèle de Beer-Lambert et son utilisation en simulation permet une meilleure prédiction sur la température de surface et l'épaisseur des échantillons frabriqués. Les effets des paramètres comme facteur d'anisotropie, porosité du lit et rayon moyen des particules sur les modèles de diffusion ont été étudiés. Les effets des paramètres de procédé comme puissance du laser, vitesse de scan, espacement des scans, longueur scannée, porosité du lit, et température du préchauffe sur les échantillons fabriqués sont aussi explorés. Une autre contribution importante du travail concerne la prédiction de la porosité moyennée et la distribution de la porosité dans les échantillons fabriqués dans un procédé de multi-scans et multi-couches. La comparaison des résultats numériques avec les mesures de tomographie à rayon X montre un accord raisonnable et encourageant.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04147516 , version 1 (30-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04147516 , version 1

Citer

Lan Zhang. Modelling of additive manufacturing processes : Case of polymer laser sintering. Materials. INSA de Lyon, 2022. English. ⟨NNT : 2022ISAL0123⟩. ⟨tel-04147516⟩
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