Thermique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 17535 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

Un solveur numérique thermo-structural efficace pour la fabrication additive a été développé sur la base d'une approche lagrangienne modifiée pour résoudre les équations de conservation d'énergie sous forme différentielle. Le transfert thermique est modélisé par la méthode des différences finies appliquée à un maillage lagrangien déformant. Le solveur structurel a été amélioré avec l'approche différentielle quasi-élastique efficace proposée pour modéliser le comportement élastoplastique des matériaux. L’algorithme est relativement simple à mettre en œuvre mais très efficace. Le solveur peut prédire les déformations de forme des pièces métalliques imprimées à l’aide de la technique de fusion laser sur lit de poudre. La deuxième capacité clé du solveur est l'auto-compensation des distorsions des pièces imprimées en 3D en proposant une géométrie corrigée d'une surface à imprimer, afin d'assurer un écart minimal de la pièce imprimée réelle par rapport à celle souhaitée, même dans des conditions non favorables. -des conditions de fonctionnement optimales ou pour des formes complexes. Tous les résultats de simulation ont été vérifiés par des expérimentations réelles sur des pièces 3D de tailles allant de 10 à 15 mm jusqu'à 40 mm.

La fabrication additive (FA) est une technologie en croissance rapide qui a le potentiel de révolutionner la façon dont les produits sont conçus et fabriqués. La simulation prédictive joue un rôle crucial dans la fabrication additive car elle permet d'évaluer les performances de la pièce fabriquée avant sa production réelle. La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est la méthode d'impression 3D la plus populaire pour créer des pièces métalliques fonctionnelles, utilisant un laser pour faire fondre la poudre dans la forme souhaitée.

Un défi important dans la production de pièces métalliques grâce à la technologie LPBF réside dans la formation de contraintes résiduelles, qui peuvent conduire au flambage et au gauchissement. Des contraintes résiduelles émergent de la relaxation de la structure cristalline dans les alliages métalliques lors de déformations plastiques importantes. Même des déformations plastiques mineures contribuent à une densité de dislocation accrue, qui s’accumule aux joints de grains1,2. De plus, un chauffage inégal pendant le processus de croissance provoque des déformations de forme importantes. Ajuster expérimentalement les conditions d’impression pour résoudre ce problème est une procédure complexe et coûteuse. Cela nécessite de prendre en compte un large éventail de paramètres au sein de la configuration expérimentale, de comprendre le comportement de matériaux spécifiques soumis à des charges thermiques et de prendre en compte l'influence de différentes poudres métalliques. Par conséquent, la modélisation numérique du processus d’impression 3D apparaît comme la solution optimale pour résoudre ces problèmes.

Des progiciels de simulation peuvent être utilisés pour aider à corriger la déformation des pièces en alliage métallique produites par LPBF. En modélisant numériquement l'ensemble du processus d'impression 3D, qui comprend le dépôt de poudre, le chauffage laser, le refroidissement et les transitions de phase ultérieures, le progiciel peut non seulement identifier les zones potentielles de déformation de forme à grande échelle et de défauts à micro-échelle, mais également suggérer des stratégies pour corriger ou les éliminer. En particulier, la simulation peut recommander des ajustements aux paramètres du laser et au débit d'alimentation en poudre pour atteindre la répartition de température souhaitée au sein du lit de poudre, permettant ainsi un meilleur contrôle de sa forme et une réduction des contraintes résiduelles, ainsi que la résolution des défauts de surface et volumétriques tels que l'inhomogénéité et porosité indésirable dans les régions de fusion partielle. En général, les logiciels de simulation pour la fabrication additive constituent un outil précieux pour affiner la conception et la production de pièces imprimées en 3D. Il est cependant essentiel de reconnaître les inconvénients associés à l’utilisation de ce type de logiciel, comme le coût, la complexité et l’exactitude des résultats.

Il y a un grand pas en avant dans le développement de progiciels nouveaux et améliorés pour la fabrication additive. Les grands fournisseurs contribuent à cette recherche. Par exemple, AlphaSTAR3 est un puissant produit de simulation pour la fabrication additive. Il fournit une suite complète d'outils pour simuler l'ensemble du processus de fabrication additive, de la conception au post-traitement. Il offre un large éventail de fonctionnalités, notamment la simulation d'impression 3D, la sélection de matériaux et l'optimisation des processus. ESPRIT Additive PBF4 est un autre excellent produit de simulation pour la fabrication additive. Il comprend une bibliothèque de matériaux et de processus permettant aux utilisateurs de simuler leurs conceptions rapidement et avec précision. Oqton5 fournit une suite d'outils pour simuler le processus AM. Whole, AlphaSTAR, ESPRIT Additive PBF et Oqton sont d'excellents produits de simulation pour la fabrication additive. De plus, ils offrent une gamme de fonctionnalités avancées, telles que l'optimisation automatisée de la conception et la prise en charge de plusieurs matériaux. Beaucoup de ces logiciels utilisent la méthode des éléments finis (FEM)6 pour résoudre toutes les équations directrices nécessaires. Cette méthode est particulièrement bien adaptée pour prédire le comportement de matériaux aux propriétés complexes, tandis que la méthode des différences finies (FDM)7 et la méthode des volumes finis (FVM)8 sont mieux adaptées pour prédire le comportement de systèmes à grande échelle. De plus, ces méthodes peuvent être combinées et utilisées ensemble pour optimiser le processus de fabrication additive.