Modélisation du procédé de projection LASER : Ajout d ... · Chronogramme de l'activation des conditions aux limites ... - De plus les mouvements de corps rigide sont bloqués

5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET

Modélisation du procédé de projection LASER :

Ajout d'éléments et calcul couplé

Directeurs de thèse : G. CailletaudC. Colin


Plan :1) Le procédé de fabrication directe par projection laser2) Objectifs de la modélisation3) Phénomènes physiques4) La modélisation

a) Le projet ZéBulonb) L'ajout de matièrec) Les conditions aux limites d) La thermiquee) La mécanique

5) Le recâlage du modèle thermique6) Perspectives


Le procédé de projection laser

Ce procédé permet de fabriquer directement des pièces métalliques « bonne matière » à partir de données CAO. La poudre est projetée via une buse sur le substrat, celle-ci est ensuite fondue par un laser de manière coaxiale.

Aube en TA6V


Objectifs de la modélisation

L'objet de la simulation numérique du procédé de projection laser est de :

• déterminer les contraintes résiduelles engendrées lors de la fabrication de la pièce

• prévoir la microstructure de la pièce après fabricationToutes ces informations permettront de faciliter le choix :

• des traitements thermiques à effectuer après projection • d'une stratégie de balayage adaptée

Pour cela il faudra réaliser un calcul sur un démonstrateur (TA6V).


Phénomènes physiques

Mécanique

Métallurgie Thermique

Dilatation therm

ique

Champ thermique

Dissipation therm

iqueVaria

tions

de

volu

me

lors

des

tran

sfor

mat

ions

de

phas

es

Effe

t des

con

trai

ntes

sur

les

tran

sfor

mat

ions

de

phas

es

Laser + poudre

Apport de chaleur + matière

Chaleurs latentes de transformation de phases

Déjà implémenté

Implémenté ultérieurement

Négligé


Le projet ZéBulon

mur.z7p

mesher.inp calcul.inp

plaque3D.geof

therm.inp meca.inpphase.inp

Calcul

Génère

Utilise

phase.z7p


Modélisation de l'ajout de matièreLe maillage

● 40000 éléments c3d8● Maillage paramétrique

Substrat

Mur


Modélisation des conditions aux limitesLe maillage et la dénomination des faces

i_j_bset_haut



i_j_bset_avant



i_j_bset_droite


Modélisation de l'ajout de matièreL'ajout de matière

Pour modéliser l'ajout de matière au cours du calcul, il faut changer les propriétés du matériau suivant une indicatrice z définie au point de Gauss (phase.inp).

z = 1 z = 0

z Conductivité Module d'Young 0 0,01 0,011 TA6V TA6V


Modélisation de l'ajout de matièreLe maillage et l'apparition des éléments

Couche n°1

Couche n°2



Couche n°1

Couche n°2



Couche n°1

Couche n°2


Modélisation de l'ajout de matièrePhase

Phase.inp

****calcul post***mesh**file plaque3D.geof***post_var reverse xpos ypos***node_var z***program phase.z7p***resolution**sequence*time 1.920000e+02*increment 1****return

Phase.z7p

void initialize() {* Initialisation des paramètres* Ecriture de phase.out }void main() {* Dimensionnement du vecteur z* Calcul de la position xpos,ypos du faisceau* Attribution des valeurs aux point de Gauss* Ecriture de phase.out }


Un calcul couplé

Calcul.inp

****calcul weak_coupling***resolution**sequence*time 1.920000e+02*increment 1920***coupled_resolution**iteration 1***sub_problem fem phase**transfer post_node_nodeparam*variable z*file phase***sub_problem fem therm**transfer integ_integparam*variable temperature*file temperature***sub_problem fem meca****return


Modélisation de la thermiqueLes conditions aux limites

Trois types de conditions aux limites : ***bc•Un flux imposé pour le laser **flucons

q = 2 . 107 W/m2 sur 2 mm2 pour P = 300W•Une condition d'échange **fluconv

q = h.( T – T0 ) avec h = 20 -> 100 W.m-².K-1

•Une condition de rayonnement **radiation *celsius

q = .t.(T4 - Tamb4) avec T en Kelvin et t=50%


Modélisation de la thermique du procédéChronogramme de l'activation des conditions aux limites

t = n t



t = (n+1) t



t = (n+2) t


Modélisation mécanique du procédéLa dilatation thermique

A partir du calcul thermique on peut utiliser la température comme entrée pour le calcul mécanique.La dilatation thermique nous donne cette relation :

TH(T) = (T).(T-Tref) - (Tini).(Tini-Tref)

avec (T) de l'ordre de 10-5 K-1


Modélisation mécanique du procédéLe calcul mécanique

- On effectue un calcul mécanique en quasi-statique sur le même maillage.- On applique des conditions aux limites du type effort nul :

.n=0sur toutes les surfaces extérieures. - De plus les mouvements de corps rigide sont bloqués. - Le modèle de comportement du TA6V est une loi de comportement élastoviscoplastique à écrouissage cinématique non-linéaire. (ici gen_evp)


Modélisation de la thermique du procédéCartographie de température


Modélisation mécanique du procédéCartographie de la contrainte de Von Mises


Recalage du modèle, mesures expérimentalesMesure des températures par thermocouples

Protocole de mesure :• Construction d'un mur de 30 couches sur un petit substrat (28mm x 40mm x 8mm)• 5 ou 6 thermocouples positionnés plus ou moins près du mur (entre 0,1 et 4 mm) dont un aux extrémités et les autres sur un des deux cotés• Une condition en vitesse et débit de poudre pour 3 puissances différentes

TC1

TC2 TC3TC4

TC5

V=300 mm/min Dm=1 g/min -> P=300 W, P=400 W, P=600 W


Recalage du modèle, mesures expérimentalesTempérature du thermocouple n°2 pour P = 300 W


Recalage du modèle, mesures expérimentalesTempérature du thermocouple n°5 pour P = 300 W


Recalage du modèle, mesures expérimentalesLa métallurgie

ZAT = 7 couches

Mur de 30 couches (J. Maisonneuve)

ZAT = transus (1100°C environ)


Recalage du modèle, mesures expérimentalesLa métallurgie

Diminution de la largeur du mur sur les premières couches(à prendre en compte dans le calcul)

Coupe d'un mur à faible puissance :manque d'adhésion entre le substrat et la 1ère couche


Perspectives

• Remplacer le flux laser constant par une Gaussienne.• Réaliser des mesures de température plus proches du bain liquide.• Améliorer le modèle de comportement mécanique du TA6V en prenant en compte les changements de phase et l'anisotropie.• Valider le modèle sur une géométrie plus complexe (démonstrateur).


Place aux questions.

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