modélisation du procédé de projection laser : ajout d ... · chronogramme de l'activation...
TRANSCRIPT
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation du procédé de projection LASER :
Ajout d'éléments et calcul couplé
Directeurs de thèse : G. CailletaudC. Colin
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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).
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Le projet ZéBulon
mur.z7p
mesher.inp calcul.inp
plaque3D.geof
therm.inp meca.inpphase.inp
Calcul
Génère
Utilise
phase.z7p
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de l'ajout de matièreLe maillage
● 40000 éléments c3d8● Maillage paramétrique
Substrat
Mur
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation des conditions aux limitesLe maillage et la dénomination des faces
i_j_bset_haut
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation des conditions aux limitesLe maillage et la dénomination des faces
i_j_bset_avant
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation des conditions aux limitesLe maillage et la dénomination des faces
i_j_bset_droite
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de l'ajout de matièreLe maillage et l'apparition des éléments
Couche n°1
Couche n°2
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de l'ajout de matièreLe maillage et l'apparition des éléments
Couche n°1
Couche n°2
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de l'ajout de matièreLe maillage et l'apparition des éléments
Couche n°1
Couche n°2
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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 }
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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%
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de la thermique du procédéChronogramme de l'activation des conditions aux limites
t = n t
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de la thermique du procédéChronogramme de l'activation des conditions aux limites
t = (n+1) t
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation de la thermique du procédéChronogramme de l'activation des conditions aux limites
t = (n+2) t
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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)
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Modélisation mécanique du procédéCartographie de la contrainte de Von Mises
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Recalage du modèle, mesures expérimentalesTempérature du thermocouple n°2 pour P = 300 W
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Recalage du modèle, mesures expérimentalesTempérature du thermocouple n°5 pour P = 300 W
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
Recalage du modèle, mesures expérimentalesLa métallurgie
ZAT = 7 couches
Mur de 30 couches (J. Maisonneuve)
ZAT = transus (1100°C environ)
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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
5 Décembre 2006 Arnaud LONGUET
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).