Centre des Matériaux
Pierre-Marie Fourt
Pierre-Marie Fourt
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Bio-based aerogels: new eco-friendly porous materials for thermal insulation and controlled release
Le procédé de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) permet de produire des pièces métalliques à géométries complexes et à forte valeur ajoutée. Son principe repose sur la fusion sélective, à l'aide d'un laser, de lits de poudre empilés successivement. Les principales applications de ce procédé de fabrication additive concernent les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatiale, pour lesquels des pièces en superalliage à base nickel Inconel 718 sont fréquemment produites. La maîtrise des propriétés mécaniques des pièces issues du procédé LPBF est donc primordiale. Celles-ci dépendent fortement des microstructures générées au cours des solidifications successives se produisant aux différentes couches de fabrication. Elles mêmes sont liées aux conditions thermiques au cours de la solidification, directement influencées par les paramètres de procédés tels que la puissance laser, sa vitesse, ou ses trajectoires sur le lit de poudre. Afin de maîtriser les propriétés mécaniques, il est nécessaire de contrôler le développement des microstructures des pièces fabriquées en travaillant sur les paramètres de fabrication. Dans le cadre de ces travaux de recherche, un modèle thermohydraulique éléments finis du lasage d'un lit de poudre est employé pour décrire le comportement thermique en fonction des paramètres de procédé, et un modèle Automate Cellulaire est utilisé pour la prédiction des structures de grains. Le modèle thermique étant très coûteux en en temps de calculs, une nouvelle méthodologie hybride est développée pour bénéficier du champs de température stationnaire obtenue par simulation multiphysique, sur des fabrications multipasses multicouches. L'avantage est d'atteindre une grande taille du domaine de simulation des microstructures tout en profitant d'une solution numérique complète du procédé à l'échelle du bain de fusion. Appliqués à des paramètres procédé différents, il est possible de mesurer l'influence de chaque paramètre sur les microstructures formées dans des volumes élémentaires représentatifs. Ainsi, la compréhension de la formation des microstructures en LPBF est améliorée grâce à ces modèles.
The laser powder bed fusion (LPBF) process makes it possible to produce metal parts with complex geometries and high added value. Its principle is based on the selective melting, using a laser, of successively stacked powder beds. The main applications of this additive manufacturing process concern the aeronautics and aerospace domains, for which Inconel 718 nickel-based superalloy parts are frequently produced. Mastering the mechanical properties of parts produced with LPBF process is therefore essential. These strongly depend on the microstructures generated during the successive solidifications occurring at the different layers. The microstructure is linked to the thermal conditions during solidification, directly influenced by the process parameters such as the laser power, its velocity, or its trajectories on the powder bed. In order to control the mechanical properties, it is necessary to control the development of the microstructures of the manufactured parts by working on the manufacturing parameters. As part of this research work, a finite element thermal-hydraulic model of the lasing of a powder bed is used to describe the thermal behavior as a function of process parameters, and a Cellular Automaton model is used for the prediction of grain structures. The thermal model requires high computation times, a new hybrid methodology is therefore developed to benefit from the stationary temperature field obtained by multiphysics simulation, on multi-pass multi-layer fabrications. The advantage is to reach a large size of the microstructure simulation domain while benefiting from a complete numerical solution of the process at the scale of the melt pool. Applied to different process parameters, it is possible to measure the influence of each parameter on the generated microstructures in representative elementary volumes. Thus, the understanding of the formation of microstructures in LPBF is improved thanks to these models.
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