Caractérisation par ultrasons du champ de température dans un procédé de fabrication additive du type powder bed fusion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Ultrasonic characterization of the temperature field in an Additive Manufacturing process of Powder Bed Fusion type

Caractérisation par ultrasons du champ de température dans un procédé de fabrication additive du type powder bed fusion

Résumé

Additive manufacturing, and in particular the Laser Powder Bed Fusion process, allows the elaboration of geometrically complex parts by successively melting thin layers of metal powder, with applications in various industrial domains. A limitation for the development of the technology is the need to ensure that the produced parts are dense and defect free, which motivates a number of research efforts for the set-up of in situ diagnostic tools allowing for process control. Since the evolution of a part internal temperature field is a key point in the mechanisms of powder melting, part solidification and microstructure formation, real-time monitoring of this temperature field could contribute to this quality assessment of the process. However, the estimation of this field in LPBF machines is still a complex challenge from an experimental perspective. Infrared sensors and thermocouples can be installed in a machine to measure temperature on a point or surface basis, but they are not able to estimate the complete internal field of a part during fabrication. On the other hand, the study of elastic wave propagation has led to the development of thermometry techniques in a wide variety of fields. In this respect, the objective of this thesis is to develop a technique based on an ultrasonic time-of-flight measurement to estimate the temperature field within a fabricated part.The first part of the thesis consists in carrying out initial pulse-echo time-of-flight measurements on parts being manufactured. Two materials (Inconel and aluminum alloys) have been tested in two different LPBF machines. Temperatures on the part surface are measured in parallel, in order to correlate the observations on times-of-flight and temperatures. Elastic wave velocities are measured as a function of temperature on the parts after they have been manufactured, homogeneously heated in a thermal enclosure. Analysis of machine-recorded time signals shows that, while the time of flights are governed by geometry changes at the scale of the full fabrication, they are sensitive to temperature variations at the time scale of a single melting-solidification cycle.The second part of the thesis focuses on the study of the evolution of the time-of-flight as a function of the temperature field. A thermal and ultrasonic numerical model, allowing to account for the main physical phenomena governing heat transfer within the parts (laser absorptivity, exchange coefficients with atmosphere and below fabrication plate) has been proposed. The obtained results are encouraging and the agreement between the simulated temperature field and experimental data supports the potential of time-of-flight measurement for in situ monitoring of the temperature field in LPBF machines.
La fabrication additive et en particulier le procédé de fabrication par fusion d’un lit de poudre par laser, connu sous l’appellation Laser Powder Bed Fusion, permet l’élaboration de pièces métalliques à géométrie complexes en faisant fondre successivement de fine couches de poudre métallique, avec des applications dans de nombreux domaines industriels. Un verrou pour le développement de la technologie est le besoin de garantir que les pièces élaborées sont denses et sans défauts, ce qui motive de nombreuses recherches pour la mise au point d’outils de diagnostic in situ permettant le contrôle du procédé. L’évolution du champ de température interne d’une pièce représentant un point clef pour les mécanismes de fusion de la poudre, solidification de la pièce et formation de sa microstructure, un suivi en temps réel de ce champ de température est de nature à répondre à cet objectif de contrôle qualité. Cependant, l’estimation de ce champ en machine LPBF est encore aujourd’hui un enjeu complexe sur le plan expérimental. Des capteurs infrarouge ou des thermocouples peuvent être installés en machine pour mesurer la température ponctuellement, ou de manière surfacique, mais ne permettent pas d’estimer le champ interne dans une pièce en cours de fabrication. Or, il est par ailleurs connu que l’étude de la propagation d’ondes élastiques a permis de concevoir de nombreuses techniques de thermométrie dans des domaines très variés. L’objet de cette thèse est la mise au point d’une technique d’estimation du champ de température d’une pièce en cours de fabrication à partir d’une mesure de temps de vol ultrasonore.La première partie de la thèse consiste à réaliser des premières mesures de temps de vol par pulse-echo sur des pièces en cours de fabrication. Deux matériaux (alliages d’inconel et d’aluminium) ont été testés dans deux machines LPBF différentes. Des mesures de température à la surface des pièces sont réalisées en parallèle, afin de corréler les observations sur les temps de vol et les températures. La vitesse des ondes élastiques en fonction de la température est mesurée sur les pièces après leur fabrication, chauffées de manière homogène dans une enceinte thermique. L’analyse des signaux temporels enregistrés en machine montre que si les temps de vol sont principalement gouvernés par les changements de géométrie des pièces à l’échelle de la fabrication complète, ils sont sensibles aux variations de température à l’échelle de temps d’un cycle de fusion-solidification.La seconde partie de la thèse s’intéresse à étudier l’évolution du temps de vol en fonction de celle du champ de température. Un modèle numérique thermique et ultrasonore, permettant de prendre compte les phénomènes physiques gouvernant les transferts de chaleur dans les pièces (absorptivité laser, coefficients d’échange en surface et sous le plateau) a été proposé. Les résultats sont encourageants, et l’adéquation du champ de température simulé avec les données expérimentales montre le potentiel d’une mesure de temps de vol pour la surveillance in situ du champ de température en machine LPBF.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04429545 , version 1 (31-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04429545 , version 1

Citer

Marie Palla. Caractérisation par ultrasons du champ de température dans un procédé de fabrication additive du type powder bed fusion. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALI087⟩. ⟨tel-04429545⟩
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