Structures lattices fabriquées par EBM

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1 Structures lattices fabriquées par EBM Journées «La métallurgie en fabrication additive» 18 & 19 novembre 2015 Guilhem MARTIN M. Suard, R. Dendievel, J.J. Blandin Enseignant-Chercheur 1

2 Plan Contexte : pourquoi des structures lattices? La fabrication additive: rendre possible les matériaux architecturés Le matériau constitutif: le TA6V Caractérisation de structures «lattices» Caractérisation structurale 3D ou la force de la tomo X Caractérisation mécanique (élasticité) Matière efficace vs. inefficace: concept de diamètre équivalent Utilisation du concept de diamètre équivalent 2

3 Matériaux architecturés et échelles caractéristiques Y. Brechet, D. Embury,

4 Matériaux architecturés: remplir les «vides» 4

5 Intégration de structures cellulaires dans une pièce Aéronautique Biomédical Implant orbital (alliage TA6V) Allègement, impact Ostéointégration Bras de télévision pour avion Conception initiale 800 g Conception intégrant des treillis 310 g 5

6 De l architecture à la structure Combinaison massif-treillis 6

7 Fabrication de structures treillis métalliques Techniques conventionnelles Fabrication Additive Réplication Fonderie Alveotec Assemblage de fils Queheillalt et al., 2005 Découpage à partir d une plaque Kooistra et al., 2007 Puissance ( W) Grande vitesse de déflection (8000 m/s) Vide secondaire Taille de fabrication: 210x210x180 mm Maintien à haute température (700 C) 7

8 Le procédé Electron Beam Melting (EBM) Poudres 730 C Mise en couche Préchauffage Fusion v scan = mm/s v scan = mm/s 8

9 Poudres initiales Poudres de Ti-6Al-4V (grade 5) Atomisation à l argon D 50 =70µm Gaz piégé 100 µm 9

10 Microstructures Structure en lattes de Widmanstatten (α/β) Taille de lattes similaires (e~1μm) Pas de détensionnement nécessaire (préchauffage à 730 C) Peu de différences de microstructures entre les différentes orientations de construction (sauf pour les grains β primaires.) 5mm 400µm x y 10

11 Le lattice d intérêt: l octet truss Octet-truss Mode de déformation: traction-compression Structure très rigide (Propriétés élastiques) Deshpande et al., 2001 Structure modèle Structure réelle (EBM) 5mm 11

12 Caractérisation mécanique: expériences Compression uniaxiale 12

13 Caractérisation mécanique: expériences D CAD =1mm 4 densités (11-25%) 5 cellules par côté 13

14 Caractérisation mécanique: simulations Eléments Finis COMSOL Cellule unitaire Conditions aux Limites Périodiques Milieu infini 14

15 Caractérisation mécanique: expériences vs. simulations? Caractérisation structurale à l échelle des poutres 15

16 Tomographie aux rayons X 500 µm 1 mm ESRF lignes ID15 & ID19 Tomographes de labo: Lyon et Grenoble Taille voxel: 1-2.5µm 3 Z - Différentes irrégularités de surface - Poudres collées - Structure «pile d assiettes» - Diamètre fabriqué<diamètre CAD - Porosité sphérique <0,1% 16

17 Tomographie aux rayons X Poutre Verticale Poutre à 45 Poutre horizontale Limites du CAD Géométrie de la poutre Différence entre CAD et poutres fabriquées + irrégularités de surface 17

18 Rigidité effective d une poutre NUM D EQ Simulation FFT Analyse numérique Sur l image en voxels ( Rigidité NUM D EQ Rigidité réelle de la poudre Discrimination matière «inefficace» Cylindre mécaniquement équivalent A généraliser pour différent angles et diamètre initiaux 18

19 Relation analytique D NUM EQ f (, DCAD ) D CAD : Diamètre initial = {1;1,5;3;5} α: Angle de fabrication d une poutre ={0,45,90 } D NUM EQ ( K D C C 1 K2) CAD 1 2 Utilisation dans la simulation 19

20 Résumé 20

21 Validation du diamètre mécaniquement équivalent Utilisation du diamètre mécaniquement équivalent Améliore la prédiction Validation du diamètre mécaniquement équivalent NUM D EQ 21

22 Optimisation paramétrique Paramètres: D CAD, l, θ, φ Objectifs: - E X,E Y,E Z - G XY,G YZ,G XZ - ν XY, ν XZ, ν YZ Contraintes: - Densité maximum - Élongation des poutres - Diamètre minimum (400µm) D NUM CAD D EQ Code maison: Python: Algorithme de minimisation CAST3M: Simulation poutre 22

23 Optimisation paramétrique Mêmes valeurs initiales de paramètres Mêmes contraintes Objectif: E Z Deux optimisations φ=fixé=45 φ=paramètre 23

24 Optimisation paramétrique φ fixé = 45 φ=paramètre 36 itérations θ=156 D CAD =1mm l=3 cm ρ=5% E Z = 2,5 GPa 17 itérations θ=157 D CAD =1mm l=3cm ρ=5% φ=80 E Z = 3,1 GPa Différence de 28% en module d Young 24

25 Conclusions & Perspectives Fabrication additive: rend plus facile la génération de matériaux architecturés Intérêt de la tomo X pour une caractérisation 3D (géométrie + prorosité) Méthodologie d optimisation de structures lattices applicables et utilisables sur d autres procédés Autres propriétés: plasticité, fatigue : développement de nouveaux concepts «maillon faible» Vers des gradients de propriétés Vers d autres matériaux Métallurgie en Fabrication Additive SF2M - Nov

26 QUESTIONS 26 QUESTIONS Métallurgie en Fabrication Additive SF2M - Nov