Contribution to the optimization of scanning paths in LPBF additive manufacturing
Contribution à l’optimisation des stratégies de lasage en fabrication additive LPBF
Résumé
During manufacturing by Laser Powder Bed Fusion (LPBF), the achieved temperatures in local areas could generate significant thermal gradients. These gradients lead to the apparition of residual stresses which affect the mechanical characteristics of the part and may cause deformation, as well as micro and macro cracks. In this context, scanning paths play a fundamental role on temperature level and distribution during manufacturing. For that reason, it is necessary to validate the generation of trajectories considering the thermal behaviour induced by this process.
The purpose of this PhD thesis is to use an analytical method in order to develop a model that allows a fast and efficient analysis of thermal behaviour, during part manufacturing. Indeed, with a given scanning path, material properties and process parameters, the developed tool performs a temperature simulation at each point of the part, over time and in a fast way, compared to other thermal simulation software. In order to reduce computation time and memory storage used for such a simulation, a set of optimization techniques has been proposed.
The developed model has been validated in the case of the Ti6Al4V alloy through a comparison with a finite element thermal simulation obtained by industrial software. Then, the results of this model were compared to experimental results. Once validated, it has been implemented to analyze trajectories commonly used in the literature and industry.
In order to reduce thermal gradients and improve part quality, the proposed solution consists in controlling the temperature and size of melt pool. For this purpose, the developed thermal model has been used to modulate the process parameters during manufacturing on the one hand and to develop an adaptive scanning strategy on the other hand.
Au cours du procédé de fusion laser sur lit de poudre, la température atteinte dans une zone locale est susceptible de générer des gradients thermiques importants. Ces gradients conduisent à leur tour à l’apparition de contraintes résiduelles qui ont un effet sur les caractéristiques mécaniques de la pièce, provoquent des déformations, ainsi que des micro et macro fissures.
Dans ce contexte, les trajectoires de lasage jouent un rôle fondamental sur le niveau et la distribution de la température au cours de la fabrication. Il est ainsi nécessaire de valider la génération des trajectoires au regard du comportement thermique induit par ce procédé.
Cette thèse propose d’exploiter une méthode analytique pour développer un modèle qui permette d’analyser d’une manière rapide et efficace le comportement thermique dans la pièce lors de la fabrication. En effet, à partir d’une trajectoire de lasage donnée, d’un ensemble de paramètres liés au matériau de la pièce à fabriquer et de paramètres liés au procédé, l’outil développé effectue une simulation de la température en chaque point de la pièce, au cours du temps et de manière rapide, comparée aux autres logiciels de simulation thermique. En effet, afin de réduire le temps de calcul et l’espace mémoire utilisé pour une telle simulation, un ensemble de techniques d’optimisation a été mis en place.
Le modèle proposé a été validé dans le cas de l’alliage Ti6Al4V par comparaison avec une simulation thermique par éléments finis obtenue par un logiciel industriel. Ensuite, les résultats de ce modèle sont confrontés aux résultats expérimentaux. Une fois le modèle validé, il a été mis en œuvre pour analyser des trajectoires couramment utilisées dans la littérature et dans l’industrie.
Afin de réduire les gradients thermiques et améliorer la qualité des pièces, la solution proposée consiste à contrôler la température et la taille du bain de fusion. Pour se faire, le modèle thermique développé a été exploité pour moduler les paramètres du procédé au cours de la fabrication d’une part et pour développer une stratégie de lasage à pas adaptatif d’autre part.