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Le 3 mai 2022

Soutenance de thèse de Sami HILAL

Simulation thermo-mécanique du procédé de fabrication additive par dépôt-fil WAAM

Résumé de la thèse en français

Les procédés de fabrication additive par dépôt-fil tels que le procédé «Wire Arc Additive Manufacturing» (WAAM) permettent de fabriquer des composants de grande dimension en superposant des couches successives de matière apportée sous forme de fil métallique fondu à l'aide d'un arc électrique. Ce procédé suscite un intérêt croissant et pourrait constituer une alternative intéressante aux procédés de fabrication conventionnels pour ses nombreux avantages, parmi lesquels la possibilité de produire des pièces de grandes dimensions, avec des taux de dépôt très élevés, en utilisant des équipements de soudage peu onéreux, tout en s'affranchissant des problématiques de sécurité et d'environnement soulevées par l'utilisation de poudre métallique. Si ce procédé dérivé du soudage est bien connu, son industrialisation nécessite de mieux comprendre l'influence des paramètres procédés et des stratégies de dépôt sur les champs de contraintes et de déformations résiduels générés. Cependant, ces champs, ainsi que d'autres quantités d'intérêt, sont difficiles et coûteux à obtenir expérimentalement, mais peuvent être fournis par la simulation numérique. Par conséquent, le travail de thèse proposé consiste à mettre en place, calibrer et valider un modèle éléments finis pour simuler le processus WAAM, pour ensuite évaluer les conséquences en termes de contraintes et de déformations sur une pièce industrielle en acier inoxydable 316L. Un modèle thermo-mécanique mésoscopique est implémenté à l'aide du code éléments finis Code_Aster développé par EDF. Les simulations sont réalisées pour différentes géométries et avec différentes stratégies de dépôt. L'implémentation du modèle nécessite la détermination de paramètres d'entrée qui ne peuvent pas être mesurés ou caractérisés directement, tels que les paramètres de la source thermique. Afin de calibrer le modèle mis en place, des essais expérimentaux sont réalisés et instrumentés en utilisant différents équipements: thermocouples, imagerie thermique et scan 3D. Pour calibrer le modèle thermique sur les données expérimentales, une méthodologie de calibration des paramètres par résolution d'un problème inverse bayésien basée sur une approche de métamodèle est mise en place. Les résultats numériques sont ensuite validés par comparaison à des données expérimentales sur plusieurs cas d'étude. Une bonne correspondance entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux a été établie. Après la validation des modèles, différentes approches macroscopiques sont ensuite explorées pour réduire le temps de calcul pour la simulation de grands composants. Ce travail s'inscrit dans le cadre du consortium de fabrication additive francilien "Additive Factory Hub" (AFH) impliquant des industriels et laboratoires académiques.

Résumé de la thèse en anglais

Additive manufacturing processes by wire deposition such as the Wire Arc Additive Manufacturing process (WAAM) allow manufacturing large mechanical components by adding successive layers of molten metallic wire using an electrical arc. This process raises an increasing interest and may provide a viable alternative to the conventional manufacturing processes for its many advantages, among which the ability to produce large parts with very high deposition rates in low-cost installations, while avoiding the safety and environmental issues raised by the use of metallic powder. If this process derived from welding is well known, its use at the industrial level requires to better understand the influence of the welding parameters and the deposition strategies on the residual stress and distortion distributions generated during the manufacturing process. However the residual strains and stresses, among other quantities of interest, are very difficult and expansive to access experimentally, but can be provided by numerical simulations. Therefore, the proposed research work consists in setting up, calibrating and validating a finite element model to simulate the WAAM process, to then determine the consequences in terms of stresses and distortions on a 316 stainless steel industrial parts. A macroscopic thermo-mechanical model is implemented using the finite element code Code_Aster. Simulations are carried out for various geometries and with different deposition strategies. The implementation of the model requires the determination of input parameters, such as the parameters of the heat source, that can not be directly measured or characterized. In order to calibrate the set up model, instrumented experimental tests are conducted, using thermocouples, thermal imaging and 3D scan. To fit the thermal model to the experimental data, a bayesian calibration of the parameters based on a surrogate model approach is performed. The finite element results are then compared to multiple test cases experimental data, and they show good agreement. After the validation of the models, different approaches are considered to reduce the calculation time for the simulation of large components. This work is part of the additive manufacturing platform “Additive Factory Hub” (AFH) involving French manufacturers and academics.

Date de soutenance : mardi 3 mai 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines Paris 60, boulevard Saint-Michel 75272 Paris cedex 06 - V106A
Directeur de thèse : Matthieu MAZIERE
Co-encadrant : Djamel MISSOUM-BENZIANE
Co-encadrant : Pierre KERFRIDEN

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