Investigations sur les déviations expérimentales géométriques du procédé 3DP-LPBF

Zongo, Teega Wende Floriane Régina (2019). Investigations sur les déviations expérimentales géométriques du procédé 3DP-LPBF. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce projet s’inscrit dans le domaine de la fabrication additive (FA), plus précisément, il vise l’identification des performances dimensionnelles du procédé de Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ou fusion sélective par laser. Les travaux portent sur l’identification du retrait dimensionnel et la quantification des variations dimensionnelles et géométriques sur les pièces issues de ce procédé.

Le procédé LPBF étant relativement jeune, il n’existe que très peu d’informations ou de normes qui abordent la capabilité de ce procédé. Dans une démarche de ‘Conception pour fabrication’ (Design for Manufacturing), la connaissance a priori des performances dimensionnelles du procédé LPBF est incontournable. Ce projet se propose de les étudier et de les quantifier.

Le premier jalon de notre recherche consiste à mesurer et à quantifier l’effet de la position de la pièce produite dans la chambre de fabrication sur les déviations dimensionnelles. Le but de la démarche est de déceler l’existence d’un motif de distribution des erreurs afin de compenser l’erreur systématique, et de proposer un guide de positionnement aux concepteurs qui interviennent dans le domaine. Ce jalon consiste également à quantifier l’inter (d’une impression à une autre) et l’intra (plusieurs composants identiques dans la même impression) répétabilité du procédé. Cette étape a fait l’objet d’une publication dans un journal avec comité de lecture. « Intra- and Inter-Repeatability of Profile Deviations of an AlSi10Mg Tooling Component Manufactured by Laser Powder Bed Fusion », Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2018, 2(3), 56-70.

Le second jalon consiste à quantifier les effets d’échelle et de la répartition de la matière sur les déviations dimensionnelles et géométriques. Ce jalon quantifie également les effets du post traitement que subit la pièce après fabrication, soit le traitement thermique de relaxation des contraintes, le détachement des pièces de la plaque de fabrication et le nettoyage de la pièce par projection de matière sur sa surface. Cette étude a fait l’objet d’une deuxième publication dans un journal avec comité de lecture avec le titre de « Scale, Material Concentration, Stress Relief and Part Removal Effects on the Dimensional Behaviour of Selected AlSi10Mg Components Manufactured by Laser Powder Bed Fusion », Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2019, 3(2), 49-67.

Le troisième jalon est une investigation expérimentale de la capacité de prédiction d’un simulateur numérique du procédé. En effet, après la mise sur le marché du logiciel ANSYS Additive Print par ANSYS inc., et dont l’une des fonctionnalités est justement de prédire les déviations géométriques du procédé LPBF, nous avons jugé intéressant de valider ses performances en comparant les prédictions numériques avec les déviations telles que mesurées expérimentalement. Nous avons donc conçu des pièces spécifiquement pour l’étude. Cette investigation a fait l’objet d’une présentation orale à la première conférence canadienne sur la FA, (HI AM 2019), et d’une publication dans un journal avec comité de lecture, avec le titre de « Geometric deviations of laser powder bed fused AlSi10Mg components: Numerical Predictions versus Experimental Measurements ». Additive Manufacturing Journal, article soumis.

Le quatrième jalon de cette étude s’articule autour de la construction d’un modèle prédictif simple des déviations dimensionnelles des pièces issues du procédé. Le modèle est basé sur des métriques qui estiment les déviations dimensionnelles en fonction du niveau de concentration (ou répartition) de la matière tout en tenant compte de l’effet d’échelle. Nous présentons les résultats du modèle et nous comparons ses performances avec les simulations numériques et les mesures expérimentales.

Titre traduit

Investigations on geometrical experimental deviations of the 3DP-LPBF process

Résumé traduit

This project applies in the field of additive manufacturing (FA). More exactly, it aims of the identification of Laser Powder Bed Fusion (LPBF), or selective laser melting process (3DPLPBF) performances. Within the framework of the present project, we are interested in the shrinkage and in the dimensional and geometrical variations, which intervenes on parts stemming from this process. LPBF processes are relatively young, and because of a lack of data, there is only small amount of information or standards, which address the process capability. The knowledge of the dimensional performances of the process LPBF is essential in a ‘Design for Manufacturing’ process. This project propose to study and quantify them.

The first step of this research project consists of quantifying the parts position on the manufacturing chamber effect on the geometrical and dimensional deviations. The aim of the approach is to detect a deviation distribution pattern in the chamber and propose a positioning guide to the designers. The first step also consists of quantifying the process inter (from one impression to another) and intra (identical components in the same impression) repeatability. This step has been the subject of a first publication in a peer-reviewed journal. « Intra- and Inter-Repeatability of Profile Deviations of an AlSi10Mg Tooling Component Manufactured by Laser Powder Bed Fusion » Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2018, 2(3), 56-70.

The second step consisted of quantifying the material repartition effect, along with the scale effect on the dimensional and geometrical deviations of the parts. This step also consisted on quantifying the process post-treatment steps effects on the printed distortions, which are the stress-relieving heat treatment, the part removal from the build plate, and the shot peening. This step has been the subject of a second publication in a peer-reviewed journal. « Scale, Material Concentration, Stress Relief and Part Removal Effects on the Dimensional Behaviour of Selected AlSi10Mg Components Manufactured by Laser Powder Bed Fusion », Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2019, 3(2), 49-67.

With the arrival of ANSYS Additive (by ANSYS incorporation) , which one of the functionalities is to predict the geometrical deviations of LPBF, we found interesting to validate its performances through numerically predicted and experimentally measured distortions comparison of artifacts designed and printed for the case study. This step has been the subject of an oral presentation at the HI AM conference, and a publication in a peer-reviewed journal. « Geometric deviations of laser powder bed fused AlSi10Mg components: Numerical Predictions versus Experimental Measurements » Additive Manufacturing Journal, submitted article.

The fourth step of this study consists on successively implement the quantified effect on a model to predict LPBF parts dimensional deviations. The model is based on metrics that estimate the dimensional deviations based on the material repartition (or concentration), which implicitly takes in account the scale effect. We present the results of the model and compare its performance with other numerical simulations and experimental measurements.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 149-155).
Mots-clés libres:	fabrication additive, laser powder bed fusion, fusion sur lit de poudre, capabilité des procédés, complexité, métrologie, GD&T
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Tahan, Souheil-Antoine
Codirecteur:	Codirecteur Brailovski, Vladimir
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 févr. 2020 16:25
Dernière modification:	24 févr. 2020 16:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2457

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