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Simulation numérique du procédé de fusion de lit de poudre dans les alliages métalliques

Simulation numérique du procédé de fusion de lit de poudre dans les alliages métalliques

Proposition de thèse

SpécialitéMécanique
Ecole doctoraleSMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur
Directeur de thèseMAZIERE Matthieu
Unité de rechercheCentre des Matériaux
Contact
Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Recrutements/Theses/
Mots-clésFabrication Additive, Simulation Numérique, Alliages Métalliques
RésuméLa simulation numérique des procédés de fabrication additive est un enjeu majeur pour le développement industriel de ces nouvelles méthodes de production. Le rôle principal de la simulation est de permettre une connaissance a priori des contraintes et déformations résiduelles dans une pièce pendant et après fabrication pour un jeu de paramètres procédé donné afin de pouvoir : (i) choisir le jeu de paramètres qui minimise ces contraintes et déformations, (ii) optimiser la géométrie ou l'orientation de la pièce pour limiter ces contraintes et déformations, (iii) prévoir un post-traitement thermique ou ou une compression isostatique à chaud adéquate permettant d'obtenir une pièce bonne en service . Pour remplir cet objectif les modèles de simulation sont tous basés sur la réalisation en parallèle ou de manière séquentielle de 2 (ou 3) calculs physiques différents : un calcul thermique pour estimer les températures dans la pièce en cours de fabrication, un calcul mécanique pour estimer les déformations et contraintes dans cette même pièce, plus le cas échéant pour certains matériaux métalliques un calcul métallurgique afin d'estimer les phases et microstructures obtenues.
ContexteUne des difficultés majeures actuelle avec la simulation numérique des procédés de fabrication additive est le temps de calcul très important lié au grand nombre d'échelles et de phénomènes à prendre en compte et au très grand nombre de pas de calcul à réaliser pour tenir compte fidèlement du déplacement du laser. C'est le cas pour les procédés de projection de poudre (Direct Metal Deposition, DMD), mais encore plus dans le cas des procédés de fusion de lit de poudre (Selective Laser Melting, SLM) qui concernent cette étude. Afin de pouvoir simuler le plus fidèlement possible la fabrication de pièces de dimensions industrielles, il est donc nécessaire de proposer des simplifications de modélisation assez conséquentes et d'estimer l'erreur alors commise. Cela peut se faire par comparaison soit avec des calculs plus complets , soit avec des résultats expérimentaux.

Par ailleurs la fabrication de pièces en SLM nécessite dans un certain nombre de cas l'utilisation de supports servant à garantir ou la tenue mécanique de la pièce lors de sa fabrication ou la diminution des contraintes résiduelles par une amélioration des flux de transfert de chaleur. La prépondérance de l'un ou l'autre de ces phénomènes sur le comportement final de la pièce reste encore à diagnostiquer. Ces supports additionnels sont fabriqués au cours du procédé à partir du même lit de poudre que la pièce. Généralement dessinés selon des structures treillis, leur taille réduite est difficile à prendre en compte de manière fidèle lors des simulations et de nouvelles méthodes simplificatrices doivent être appliquées. La rupture éventuelle de ces derniers lors de la fabrication de la pièce est également un problème qu'il faudrait pouvoir aborder à l'aide des simulations numériques.

Un autre challenge lié aux modèles simplifiés de simulation de fabrication est de choisir des lois de comportement thermiques et mécaniques pour les matériaux qui restent cohérents avec les simplifications effectuées. Les bonnes lois à utiliser et surtout les bons paramètres ne sont alors pas nécessairement ceux que l'on mettrait dans une simulation plus complète du procédé. La définition de critères d'endommagement et rupture en accord avec les lois de comportement homogénéisées sera aussi étudiée.
EncadrementDjamel Missoum
Profil candidatLe candidat devra posséder des compétences solides en thermo-mécanique des milieux continus. Il devra avoir des connaissances en science des matériaux et maitriser au moins un langage de programmation (C++,Fortran,Python,...)

Le dossier de candidature comportant :
- un curriculum vitae détaillé
- une lettre de motivation
- relevés de notes
- lettres de recommandations et les noms, les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation


est à faire parvenir par mail à : Recrutement_these@mat.mines-paristech.fr
Résultat attendu• Une nouvelle méthode de modélisation rapide du procédé de fabrication par fusion de lit de poudre permettant de tenir compte d'un certain nombre de singularités à petite échelle liées au procédé de fabrication lui-même.
• Une caractérisation de la relation entre la stratégie de fabrication et les propriétés mécanique finales du matériau (anisotropie, résistance, défauts, ...)
• Une méthode de prédiction du nombre et type de supports minimum à utiliser pour garantir une bonne tenue mécanique de la pièce.
ObjectifL'objectif de cette thèse est donc de proposer une méthode de modélisation rapide du procédé de fabrication par fusion de lit de poudre la plus exacte possible permettant de tenir compte d'un certain nombre de singularités à petite échelle liées au procédé de fabrication lui même, puis de l'appliquer à un certains nombre de problématiques relatives au procédé SLM tels que l'anisotropie du matériaux lié au trajet de fabrication, ou encore le rôle des supports.
RéférencesThèse A.Longuet 2008
Thèse G.Marion 2016
Thèse L.Van Belle 2013
Type financementConvention CIFRE

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