Analyse, modélisation et simulation de l apparition de contraintes en fusion laser métallique
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- Emmanuel Denis
- il y a 8 ans
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1 Analyse, modélisation et simulation de l apparition de contraintes en fusion laser métallique Laurent VAN BELLE Jean-Claude BOYER Guillaume VANSTEENKISTE Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE Financement : Thèse CIFRE Entreprise : Pôle Européen de Plasturgie Laboratoire : LaMCoS (INSA de LYON)
2 Plan Introduction Le PEP Contexte Etude du matériau : l acier maraging Dilatométrie Essais de traction à chaud Modélisation du procédé Analyse thermique et mécanique Etude de différentes trajectoires laser Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Conclusions et perspectives Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE
3 EXPERTISE INJECTION DES THERMOPLASTIQUES & mise en forme des composites MOTS & CHIFFRES CLES Centre technique et d innovation en plasturgie et composites Expertise en injection des thermoplastiques. Expertise en composites. 2 sites : Oyonnax et le Bourget du Lac. Agréé Crédit Impôt Recherche (CIR). Certifié ISO v2008. Objectif : Améliorer la compétitivité de l industrie nationale par l innovation et la mise à disposition de moyens technologiques pour les industriels (plateformes). Stratégie : Recherche mutualisée. Démarche de plateforme. Année Effectif global CA prestations CA global ,9 M 4,2 M ,4 M 4,8 M ,8 M 4,6 M ,6 M 5,9 M 75 collaborateurs (chercheurs, ingénieurs, techniciens) 20 personnes dédiées à la recherche (25 projets de recherche) M 6,3 M ,5 M 6,7 M Chiffre d affaires 2012 : 8 M (intégrant COMPOSITEC) 50 % en Recherche & Développement (sous contrat ou collaboratif) 50 % en services aux entreprises Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE
4 EXPERTISE INJECTION DES THERMOPLASTIQUES & mise en forme des composites MOTS & CHIFFRES CLES LES 5 BUSINESS UNIT 5 axes de R&D ou Lignes Programmes Outillages avancés Produits hybrides «composites fibres continues / techno polymères» Optimal design Recyclage des polymères Microsystèmes sur plastique Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE
5 CLIENTS & MARCHES 22% MARKET SHARE 30% AUTOMOBILE 5% AERONAUTIQUE / DEFENSE MEDICAL EMBALLAGE 8% CONNECTIQUE 10% 20% DIVERS Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE
6 RESEAU & PARTENAIRES Le PEP au cœur d un réseau européen : Partenaires français : Partenaires Européens : centres R&D en plasturgie et outillage Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE
7 1. Introduction Présentation du procédé de fusion laser sélective (SLM) Application Conformal cooling EOS M270 Moule d injection pour un vase d expansion automobile / Moule réalisé par l entreprise TECHNIMOLD Oyonnax / Projet UFFO Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE
8 1. Introduction Problématique Importants gradients thermiques Déformations plastiques Champs de contraintes hétérogènes Apparition de fissures Objectifs Caractérisation thermique, structurale et mécanique du matériau et du procédé Simulation thermomécanique de la fusion laser Qualifier la tenue mécanique des pièces dont la fatigue Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 8
9 2. Etude du matériau : l acier maraging Essai de dilatométrie (1000 C/s de vitesse de chauffe) 1000 C/s Température chgt phase ( C) As 646 Af 708 Ms 180 Phase α (/ C) Martensite 14 x 10-6 Austénite 20 x 10-6 Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 9
10 2. Etude du matériau : l acier maraging Essai de traction à chaud Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 10
11 3. Modélisation Physique du procédé et mise en données sous ABAQUS Phénomènes physiques proche du soudage Calculs découplés : Calcul thermique puis mécanique Programme VBA pour générer fichier.inp Matériau à l état de poudre et de solide Mise à jour des conditions aux limites Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 11
12 3. Modélisation Mise en données thermiques et mécaniques 3D Conditions aux limites thermiques dépendantes du temps Flux de chaleur : Convection et rayonnement: Paramètres laser Puissance 200 W Rendement 10 % Diamètre du faisceau 100 µm Vitesse 1000 mm/s Données thermiques matériaux ρ poudre = 4000 kg/m 3 ρ solide = 8000 kg/m 3 C p poudre = 450 J/kg. C λ poudre = 0.25 W/m. C C p solide = 450 J/kg. C λ solide = 15 W/m. C Eléments parallélépipediques (dimensions : 0,1 x 0,1 x 0,04 mm) Ecrouissage isotrope non-linéaire (données maraging) Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 12
13 3. Modélisation Simulation thermique et mécanique 3D Evolution de la température et de la contrainte de Von Mises Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 13
14 3. Modélisation Etude de différentes trajectoires laser Voir son influence sur les contraintes résiduelles? Aller retour : AR Spirale vers intérieur: SPI Spirale vers extérieur: SPE Aller retour par point : ARP Aller retour éloigné : ARE Zigzag : ZZ Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 14
15 3. Modélisation Etude de différentes trajectoires laser Comparaison des champs de température Aller /retour Spirale intérieure Spirale extérieure Point / point Aller / retour espacé Zigzag Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 15
16 3. Modélisation Etude de différentes trajectoires laser Comparaison des contraintes de Von Mises (vue en coupe) Aller /retour Spirale intérieure Spirale extérieure Point / point Aller / retour espacé Zigzag Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 16
17 3. Modélisation Etude de différentes trajectoires laser Comparaison de la déformation plastique cumulée (vue en coupe) Aller /retour Spirale intérieure Spirale extérieure Point / point Aller / retour espacé Zigzag Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 17
18 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Principe Analyser l apparition des contraintes résiduelles lors du procédé SLM Différentes méthodes expérimentales existes: Méthode par diffraction de neutron ou de rayon X Méthode du perçage incrémental Méthode du retirement de couches successives Les jauges de déformation, fixées à l opposé des couches retirées, permettent d enregistrer les déformations en direct Calcul des contraintes internes grâce au principe de l équilibre mécanique Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 18
19 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Supports instrumentés et équipements Essais portant sur 3 supports instrumentés (Rosette, thermocouple type K) Epaisseur couche Temps refroidissement Hauteur créée Support 1 40 µm 8 s 10 mm Support 2 20 µm 34 s 5 mm Support 3 40 µm 34 s 10 mm Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 19
20 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Mesures des déformations et de la température (support 2) Débridage Refroidissement final Lissage Température assez constante (82 C) Etat de contraintes biaxiales (défomation maximum de 2000 µm/m) Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 20
21 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Contraintes internes pour les 3 supports Support 2 (20 µm / long refroidissement) donne les plus hautes valeurs de contraintes (700 MPa) Epaisseur finale Pièce créée Hauteur fusionnée Hauteur du support Support Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 21
22 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Contraintes internes avant et après débridage (flexion) Prise en compte du débridage de la plaque Support 2 Support 3 Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 22
23 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Mesure des déflections des supports Analyse des géométries des 3 supports déformés avec le bras de mesure ROMER Les coordonnées des points mesurés sont interpolées avec une spline 2D sous MatLab Bras de mesure ROMER Echantillon Fixation Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 23
24 4. Mesures expérimentales des contraintes et des déflections Mesure des déflections des supports Mauvais bridage lors du procédé T ref 34 s Epaisseur couche 20 µm T ref 34 s Epaisseur couche 40 µm T ref 8 s Epaisseur couche 40 µm Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 24
25 5. Conclusions et perspectives Conclusions Caractérisation de l acier maraging Mise en place d un modèle numérique permettant de simuler le procédé SLM Contraintes résiduelles élevées à l interface pièce / support et dans la dernière couche solidifiée Influence de la trajectoire laser sur la déformation plastique cumulée Les mesures expérimentales donnent une estimation des contraintes dans la pièce et le support Contraintes résiduelles élevées dans le cas d une épaisseur de couche de 20 µm et un long temps de refroidissement entre 2 couches successives Perspectives Etude de différents types de support (embase, colonnes) Code «maison» en explicite pour gagner du temps de calculs Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 25
26 Merci de votre attention Laurent VAN BELLE - Jean-Claude BOYER - Guillaume VANSTEENKISTE 26
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