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Plateforme de simulation numérique pour la fabrication additive par méthode multi-échelle et réduction de modèle.

Plateforme de simulation numérique pour la fabrication additive par méthode multi-échelle et réduction de modèle.

Computational Platform for Additive Manufacturing by Multiscale Method and Model Reduction Technique.

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique numérique et Matériaux

Ecole doctorale

SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées

Directeur de thèse

ZHANG Yancheng

Co-directeur de thèse

BELLET Michel

Unité de recherche

Centre de Mise en Forme des Matériaux

Contact
Site Webhttp://www.cemef.mines-paristech.fr/sections/formations/doctorats/pour-postuler/these-cemef-8926
Mots-clés

Fusion sélective par laser, thermo-mécanique, couplage multi-échelle, méthode «inherent strain», méthode éléments finis, réduction de modèle

Additive manufacturing, selective laser melting process, thermo-mechanical evolution, multi-scale coupling, finite-element method, model reduction

Résumé

Le CEMEF a développé récemment deux approches pour la simulation des procédés de fabrication additive SLM. Une approche méso dédiée à la simulation du développement des cordons et une approche macro à l'échelle de la pièce (Figure). Toutes deux sont développées dans le cadre de la librairie C++ CimLib du laboratoire. Les développements numériques réalisés dans le projet AM_MULTI étendront la capacité de cette bibliothèque et plus particulièrement son application à la simulation FA.

Trois tâches principales constituent ce projet:
1) Modèle multi-échelle couplant les modèles méso- et macroscopique. Les informations utiles extraites du modèle méso développé sont considérées comme des données du modèle macro. Inversement, pendant le processus de construction, les conditions aux limites thermiques et mécaniques à appliquer dans le modèle méso peuvent être extraites du modèle macro pour améliorer les résultats des simulations locales.
2) Extension des capacités du modèle macroscopique [4]. Dans le modèle macro, le dépôt d'énergie et de matière par fractions de couche, couche par couche et super couche est pertinent. Cependant, la résolution mécanique non linéaire est coûteuse pour des pièces de forme complexe. La méthode dite «inherent strain» doit permettre de développer une modélisation macro efficace, car seulement constituée de résolutions linéaires, réduisant ainsi fortement le temps de calcul.
3) Modèle d'ordre complet/d'ordre réduit pour les études paramétriques. Si le système simulé est de grande taille, les stratégies proposées ci-dessus restent coûteuses pour les études paramétriques définissant les paramètres procédés industriels optimaux. Sur la base de l'expertise de l'auteur [5], le modèle hybride d'ordre complet/d'ordre réduit [6] est proposé pour modéliser le processus de fusion sélective par laser à l'échelle macro dans le cadre level-set avec adaptation de maillage.

L'ambition du présent projet est d'accroître la visibilité du CEMEF et de MINES ParisTech dans le domaine de la modélisation des procédés de fabrication additive, en mettant en oeuvre nos capacités logicielles.

Le doctorant bénéficiera également d'un enseignement avancé et de l'expertise de différents enseignants-chercheurs en informatique scientifique et programmation C ++. De plus, il aura accès à des formations en mécanique des fluides et mécanique du solide, et en métallurgie numérique. Ces compétences lui offriront des opportunités pour développer ses futures activités dans divers secteurs de R&D dans l'industrie. Une autre possibilité est de commencer une carrière scientifique académique.

The CEMEF laboratory has developed two approaches for the simulation of SLM additive manufacturing processes during the past years. A meso- approach dedicated to the simulation of elementary track formation and a macro- approach at the part scale (see Figure). The two methods are part of the C++ library CimLib developed in the laboratory. The numerical developments done in the AM_MULTI project will extend the capacity of this library and specifically its application to AM simulation.
Three main tasks will be included in this project:

Multiscale model coupling meso- and macro- scale models. The useful information extracted from the developed meso-scale model can be considered as an input of the macro-scale model. Conversely, during the construction process, the thermal and mechanical boundary conditions to be applied in the meso-scale model can be extracted from the macro-scale model to get more accurate local simulation results.
Extension of the macro-scale model capacities: inherent strain technique [4]. In the macro-scale model, the deposition of material and laser energy by fractions of layer, layer by layer and by “super layer” (several layers at a time) is now available. However, the non-linear mechanical resolution is still too costly for parts having very complex shape. The inherent strain method is proposed as a candidate for an efficient macro-scale model, as it could be run through linear resolutions only: calculation time could be reduced by a factor 5 or more.
Full-order/reduced-order model for parametric studies. If the simulated system is huge, the above proposed strategies are still costly for parametric studies to define optimized process windows in industry. Based on the authorsÂ' expertise [5], the hybrid full-order/reduced-order model [6] is proposed for modelling the selective laser melting process in the macro-scale in the frame of level set and mesh adaptation.

The ambition of the present project is to increase the visibility of CEMEF and MINES ParisTech in the field, and take leadership with respect to potential competitors, by extending our software capacities.

The PhD student will also benefit from advanced teaching and expertise of different advisors in scientific computing, and programming in C++ language. In addition, he will have access to lectures and team experiences in fluid and solid mechanics, material science and digital metallurgy. These capacities will provide opportunities to develop future activities in various R&D sectors in industry. An alternative perspective could be to start an academic scientific career.

Contexte

Le projet vise à développer une plateforme de calcul efficace pour la fabrication additive (FA) par modélisation multi-échelle et technique de réduction de modèle dans le cadre d'une approche level-set et d'une formulation éléments finis. Le procédé de fabrication additive SLM (fusion sélective par laser) est considéré comme procédé modèle dans cette perspective. On rappelle que ce procédé consiste à construire une pièce tranche par tranche au moyen d'un laser qui vient fondre/solidifier, selon une trajectoire déduite de la CAO de la pièce, des couches de lit de poudre déposées les unes sur les autres.

Dans le groupe TMP (Thermo-Mécanique Plasticité) du CEMEF, des modèles méso- et macroscopiques appliqués au procédé SLM ont été développés, comme montré sur la figure ci-dessous.

Le premier modèle a été développé à l'origine par Chen et al. [1] à l'échelle mésoscopique pour suivre, au cours du processus de « lasage », la formation d'un cordon (ou de quelques cordons juxtaposés) et les contraintes locales associées. Sans descendre à une modélisation à l'échelle des particules, le lit de poudre est considéré comme un milieu continu poreux, transformé sous l'effet du laser en liquide dense puis solidifié. La formation du bain fondu, l'hydrodynamique, les formes de cordon et les contraintes internes sont simulées.

La même approche level-set et éléments finis a été adaptée à la simulation du procédé SLM à l'échelle macroscopique (échelle de la pièce à construire) en négligeant le bain fondu et son hydrodynamique [2]. Cette seconde approche vise à prédire les distorsions, les risques de fissuration pendant la construction, et les contraintes résiduelles. Afin de conserver un temps de calcul acceptable, la fusion du lit de poudre et l'apport d'énergie sont simplifiés, par le dépôt couche par couche, ou par série de fractions de couche consécutivement. Les distorsions et les contraintes résiduelles résultant du chauffage et du cycle thermique de la pièce construite peuvent être ainsi étudiées [3].

Dans ce contexte, l'objectif du projet est d'évoluer vers une plateforme de calcul haute performance par modélisation multi-échelle et technique de réduction de modèle. Le projet de thèse détaillé ci-après sera développé au CEMEF (Centre de Mise en Forme des Matériaux, MINES ParisTech). Pour la partie consacrée à la réduction de modèle, la recherche sera menée de manière collaborative avec David Ryckelynck du CDM (Centre des Matériaux - MINES ParisTech) et Thomas Toulorge de l'équipe MSM du CEMEF. Les travaux expérimentaux devant valider les résultats seront réalisés au CDM également, par l'équipe de Christophe Colin, dans le cadre du projet ADDITIVE3D avec l'entreprise Transvalor (Sophia Antipolis). Le financement du projet du doctorat est assuré dans le cadre des 'Contrats Doctoraux Ecole' de MINES ParisTech.

Encadrement

Autre encadrant: David RYCKELYNCK - SIMS, CDM (Evry)

Domaine(s)

La fabrication additive est une technologie de mise en forme récente, avec une extension extrêmement rapide à tous les secteurs industriels: aéronautique et spatial, énergie, transport, médical ...

Profil candidat

Formation Ingénieur/Master 2, dans le domaine de la mécanique ou des mathématiques appliquées. Etudiant(e) attiré(e) par les problématiques liées à la modélisation et la simulation numérique des phénomènes physiques.

Engineer / Master student in the field of computational mechanics, or applied mathematics. Student attracted by problematic linked with the modelling and simulation of physical phenomena.

Objectif

Développer une plateforme de calcul efficace pour la fabrication additive par modélisation multi-échelle et technique de réduction de modèle dans le cadre de la formulation éléments finis (FE) et level-set. La connexion entre les échelles méso- et macroscopique doit être réalisée. L'extension du modèle macro à la technique dite «inherent strain» et la méthode de réduction de modèle (modèle ordre-complet/ordre-réduit) seront implémentées dans la plateforme de calcul.

Références

[1] Q. Chen, G. Guillemot, C.-A. Gandin, M. Bellet, Additive Manufacturing 16 (2017) 124–137.
[2] Y. Zhang, G. Guillemot, M. Bernacki, M. Bellet, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 331 (2018) 514–535.
[3] Y. Zhang, Q. Chen, G. Guillemot, C.-A. Gandin, M. Bellet, Comptes Rendus à l'Académie des Sciences - Mécanique (2018, accepté, à paraître).
[4] P. Alvarez, J. Ecenarro, I. Setien, M.S. Sebastian, A. Echeverria, L. Eciolaza, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering 2 (2016) 39–46.
[5] Y. Zhang, A. Combescure, A. Gravouil, International Journal for Numerical Methods in Engineering 111 (2017) 176–200.
[6] J. Baiges, R. Codina and S. Idelsohn. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 267 (2013) 23-42.

Type financement

Financement d'un Etablissement d'enseignement supérieur

Partenariat/contrat

Environ 1650 € net / mois

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