La multiplication ces dernières années des articles et brevets, initiatives régionales et nationales autour de la fabrication additive directe de pièces de structure métalliques témoigne de l’intérêt porté à ce nouveau mode de fabrication par les acteurs académiques et industriels, comme par les pouvoirs publics. Cette classe de procédés est en effet au cœur des programmes de l’usine 4.0. Le Centre des Matériaux, grâce à son expertise multiple dans la physique de la transformation de la matière dans des conditions hors d’équilibre, dans le développement et la simulation des procédés innovants, dans le design des microstructures comme dans la caractérisation et la simulation des comportements thermomécaniques et de la durée de vie, est un acteur majeur de cette thématique. Il agit activement depuis le début des années 2000 au sein de plusieurs consortiums regroupant académiques, end-users de l’aéronautique ou du bio-médical, moulistes ou outilleurs.
La création de l’axe transversal FAMHES mobilisant l’ensemble des pôles du laboratoire apporte une réponse adaptée au caractère fortement interdisciplinaire de la thématique de recherche autour de la fabrication additive. Il vise à augmenter notre visibilité dans les alliances stratégiques nouées avec les mondes industriels et académiques, à constituer un guichet unique et structuré dans nos échanges avec nos partenaires et à soutenir les investissements jugés prioritaires par MINES-ParisTech. Cet axe traite aussi bien du procédé de fusion laser sélective de lits de poudre que du procédé de projection laser qui permet l’ajout de fonctions sur des pièces existantes ou encore la réparation de pièces usagées. Il fédère les expertises multiples des 3 pôles :
Au-delà du Centre des Matériaux, une collaboration étroite est établie avec le Centre de Mise en Forme (CEMEF) de MINES ParisTech à Sophia Antipolis pour la simulation numérique des formes et dimensions des bains fondus et des microstructures générées.
Cartographie de l’activité « Fabrication Additive » à MINES ParisTech pilotée par le Centre des Matériaux.
L’axe transversal FAMHES fédère les compétences en élaboration/caractérisation/simulation
des trois pôles SIP/MIMEX/SIMS du CDM.
i) à la fusion d’un milieu granulaire par l’interaction d’un rayonnement laser et à la stabilité du bain liquide,
ii) à la solidification et au développement de microstructures dans des conditions sévères de gradients thermiques et vitesses de solidification, et
iii) à la genèse de défauts et de contraintes résiduelles dans les pièces fabriquées.
L’objectif final est de proposer une tomographie des défauts de la pièce en cours de fabrication et reconnaissables à leur signature thermique.
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Lorsque la durée de vie des pièces est conditionnée par celle d’un revêtement dans un environnement sévère (corrosion, usure, chocs thermique et mécanique,…) alors la tenue mécanique des interfaces et la résistance du revêtement à l’endommagement sont cruciales. L’essai mécanique LASAT par propagation d’ondes de choc est développé pour la mesure non destructive de l’adhérence des revêtements. L’analyse à différentes échelles (nano-micro-macro) et la modélisation du comportement thermomécanique et de l’endommagement des systèmes revêtus conduisent à la prédiction de la durée de vie.
La conception et le dimensionnement de pièces complexes reposent aujourd’hui sur la simulation numérique qui permet de reproduire les sollicitations issues de leurs élaborations et de leurs conditions de fonctionnement. Dans le cas d’une pièce obtenue par fabrication additive, il est important de simuler aussi fidèlement que possible le procédé et ses phénomènes associés dès l’étape de fabrication. La simulation permet la prise en compte des effets thermiques, métallurgiques et mécaniques en cours de fabrication pour constituer un outil robuste pour i) l’estimation des contraintes résiduelles et des déformations associées et ii) la prédiction de la microstructure issue de la fabrication et son évolution lors de post-traitements de détensionnement, de recristallisation ou de précipitation.
La simulation de ces procédés est alors dominée par les aspects multiphysiques et multi-échelles (du bain liquide à la pièce). En raison de la durée excessive des simulations actuelles (plus longues encore que la fabrication), aucun logiciel ne s’est encore imposé pour la fabrication additive. L’axe FAMHES du Centre des Matériaux et le Centre de mise en forme des matériaux (basé près de Nice) conjuguent leurs efforts et investissent en propre des travaux combinant simulation et expériences de validation pour le développement d’un code métier applicable au domaine de la fabrication additive aussi bien sur lit de poudre que par projection laser. L’objectif d’un tel logiciel est de simuler la fabrication de pièces de forme et de taille industrielle dans des temps de calcul raisonnables, tout en prenant en compte les conditions aux limites au plus proche de la réalité ; sa finalité étant une aide à la production de pièces prêtes à l’emploi.
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