Simulation des procédés de fabrication additive métallique

La fabrication additive ou impression 3D dans son appellation grand public occupe désormais dans l’industrie une place de plus en plus importante en complément des procédés de fabrication et d’usinage classiques. Forte d’une expérience de près de 15 ans en simulation numérique du soudage et en analyse des traitements thermiques, EC2 Modélisation propose depuis 2018, une expertise dans des méthodes numériques pour la simulation thermomécanique de procédés de fabrication additive métallique.

Des problématiques industrielles propres à la fabrication additive métallique

La réalisation de pièces industrielles par fabrication additive 3D nécessite un ajustement à des contraintes de réalisation spécifiques : l’impression couche par couche détermine un comportement particulier qu’il est indispensable d’anticiper pour optimiser le procédé et éviter de trop fortes contraintes ou distorsions. Des traitements thermiques doivent généralement être appliqués pendant ou après la fabrication et ce processus doit être particulièrement bien suivi pour garantir la bonne tenue mécanique du produit final.

Modélisation des processus de fabrication additive

Les enjeux de la modélisation des procédés de fabrication additive sont la prédiction des évolutions thermiques, métallurgiques, et mécaniques lors de la fabrication, en particulier la prédiction des contraintes et distorsions résiduelles des pièces, de même que la prédiction de leurs propriétés matériau après fabrication. Dans le cas des procédés de fabrication de type fusion sur lit de poudre, ou bien par dépôt de métal, une transposition des développements concernant la simulation des procédés de soudage, parvenus à maturité depuis quelques années, est désormais envisageable. Ces aspects sont parfaitement connus et maîtrisés par notre bureau d’études, qui s’appuie sur une connaissance experte de plus de 10 ans en simulation numérique du soudage. (lien vers page compétence soudage).

Ces simulations considèrent l’évolution transitoire des champs de température, de proportions de phases métallurgiques, de contraintes et de déformations au cours du dépôt de métal. Elles permettent en particulier d’obtenir des contraintes et déformations résiduelles dans les pièces durant tout le processus de fabrication, pour une séquence de dépôt et des paramètres de soudage donnés, ce qui permet d’optimiser et/ou de corriger les procédures de dépôt.

Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour la fabrication additive métallique par certains types de procédés tel que la fusion par laser (Selective Laser Melting - SLM), le dépôt de fil fondu par laser ou à l’arc (Fused Deposition Modeling - FDM) ou encore la fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting - EBM). De même un large panel de matériaux métalliques peuvent être mis à l’étude tels que les aciers (austénitiques, martensitiques…), les alliages de titane ou à base nickel (Inconel) et de manière plus marginale, les aluminiums.

Notre expertise permet de répondre à différentes problématiques industrielles, et permet de :

• Réduire les pertes de fabrication grâce à la caractérisation des contraintes résiduelles dans la pièce et l’optimisation des zones finales à usiner pour les réduire
• Optimiser les séquences de dépôts et les conditions de bridage tout au long du processus de fabrication grâce à l’anticipation des distorsions et contraintes
• Réduire les temps de fabrication en quantifiant l’influence du préchauffage/refroidissement éventuel des supports, et en déterminant les temps optimaux entre deux passes.
• Améliorer et optimiser les processus post-fabrication en quantifiant l’influence sur les contraintes et déformations de traitements thermiques de détensionnement

Les avantages apportés par la modélisation permettent aux industriels une réelle maîtrise de toute la chaîne de production sans avoir à effectuer de longs et coûteux plans d’expérience expérimentaux.

Exemples de simulation de procédés de fabrication additive :