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Simulation de la fabrication additive

La fabrication additive consiste à construire un objet à partir d’un matériau qui peut être déposé localement ou consolidé sélectivement sur le parcours géométrique de la pièce. Il s’agit donc d’amener le matériau d’un état malléable facile à mettre en œuvre vers un état consolidé pour constituer une structure rigide. Les technologies de fabrication additive sont nombreuses et peuvent être regroupées selon trois principes de construction : le dépôt de matière, la consolidation sélective et la projection de liant sur poudre qui combine les deux principes précédents. Pour réaliser ces constructions, les procédés mettent en œuvre des transferts d’énergie et de masse.

Parmi ces procédés, la technologie laser (CO₂, YAG) est parfaitement adaptée à la consolidation sélective des matériaux. L’énergie thermique est utilisée pour transformer le matériau de base par fusion, diffusion (frittage) ou réaction chimique.

Le dépôt de matière, quant à lui, peut s'effectuer sous forme de gouttes, de filaments ou de poudre qu’il faudra porter à l’état liquide ou visqueux avant la consolidation sur l’objet.

L’objet fabriqué apparaît volumineux comparé au volume de matière consolidée à chaque instant du processus. C’est donc de l’échelle du micromètre à l’échelle du centimètre que s’enchaîne la construction de l’édifice qui, à chaque instant, se rééquilibre et se déforme.

La simulation permet de réduire le nombre d’essais nécessaires à la réalisation d’une pièce conforme au cahier des charges, mais aussi de mieux comprendre les relations entre les paramètres opératoires, les propriétés de la matière et l’état de fabrication de la pièce finale. C’est donc pour déterminer les meilleures conditions de fabrication et prévoir leurs conséquences microstructurales et mécaniques que l’industriel a tout intérêt à développer la simulation.

La simulation peut aussi aider l’industriel à optimiser la conception de son procédé de fabrication additive en étudiant les conséquences d’un choix de matériaux, d’une modification de géométrie, d’un dispositif de chauffage ou de refroidissement.

Elle permet aussi d’envisager plusieurs scénarios de construction additive des pièces sur des chemins de consolidation différents et de comparer leurs conséquences. En effet, même si le design de la pièce est figé par le bureau d’étude avant sa fabrication, les chemins de dépôts et les motifs de remplissage possibles sont quasi infinis. L’adhésion des couches déposées et donc les porosités, l’anisotropie mécanique de la pièce, les déformations et contraintes résiduelles, et finalement la durabilité de la pièce en sont des conséquences directes.

La simulation du procédé consiste d’abord à évaluer les transferts d’énergie, de masse et de quantité de mouvement mis en œuvre par le procédé pour effectuer le changement d’état de la matière. Un modèle doit être choisi pour décrire le comportement rhéologique du matériau sur toute la plage de température de mise en œuvre. Il s’agit de décrire des bilans de conservation, mais aussi d’associer une technique de modélisation capable de suivre l’évolution continue de la construction de la structure. En effet, la consolidation réactualise à chaque instant la géométrie de la pièce et il faut donc des techniques numériques capables de suivre l’évolution des interfaces tout en intégrant les couplages multiphysiques. La méthode des lignes de niveau (level set) ou la méthode des volumes de fluide (volume of fluid) associées aux équations de conservation de la masse et de la quantité de mouvement permettent de décrire l’évolution d’un dépôt de matière en intégrant les effets de tension de surface. La méthode ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) permet de déplacer les nœuds du maillage pendant la simulation pour suivre le processus d’ajout continu de matière.

L’ajout ou l’activation d’éléments finis pendant une simulation permet aussi d’actualiser la géométrie ou d’activer les propriétés physiques du domaine prémaillé où la matière a été déposée. Ces deux méthodes peuvent être intégrées dans des codes de calculs par éléments finis du commerce qui permettent de générer automatiquement des maillages sur des géométries complexes, de réaliser du remaillage adaptatif ou de paralléliser les calculs. La méthode des éléments discrets permet de décrire l’écoulement de particules matérielles jusqu’à leur cohésion pour former la structure.

Finalement, la fabrication additive qui transforme la matière s’accompagne d’une déformation continue de la structure en construction jusqu’à son état d’équilibre mécanique final. La modélisation et la simulation peuvent être utilisées pour déterminer les contraintes et déformations résiduelles.

Cet article a pour objectif d’apporter les éléments nécessaires à la compréhension et à la simulation des phénomènes physiques mis en oeuvre dans les procédés de fabrication additive. Il permet de définir les modèles à mettre en œuvre pour simuler le procédé de fabrication où la construction de la pièce.