Étude thermomécanique du procédé de fabrication métallique arc-fil : approche numérique et expérimentale

La fabrication additive, en complément des techniques de fabrication traditionnelles, procède par ajout de matière pour la construction de pièces mécaniques. Parmi les différents procédés de fabrication additive existant, cette thèse s’intéresse tout particulièrement au procédé de fabrication additive arc métal désigné également par l’acronyme anglais WAAM qui signifie Wire Arc additive Manufacturing. Celui-ci se base sur les technologies du soudage pour fabriquer des pièces par empilements successifs de cordons de soudure. Sa mise en œuvre est donc peu coûteuse et déjà bien maîtrisée dans le domaine du soudage industriel. Le métal d’apport se présente sous forme de fil métallique et est fondu par un arc électrique délivré par une torche de soudage GMAW (Gaz Metal Arc Welding) avec un mode de transfert CMT (Cold Metal Transfer). Cette dernière est montée sur un bras robotisé multi axes qui exécute les trajectoires de dépôt. Ce type de configuration ne contraint pas la taille des pièces à fabriquer, ce qui représente un véritable atout pour la fabrication de pièces de grandes dimensions comme c’est le cas dans le secteur de l’aéronautique. Le WAAM présente cependant un verrou technologique majeur qui limite actuellement son implémentation sur les chaîne de production. En effet, la mise en fusion du métal génère des dilatations et contractions successives du métal qui engendrent la formation de contraintes résiduelles et de déformations dans la pièce finale. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la génération de ces contraintes résiduelles et de ces déformations au cours du procédé par une approche numérique couplée à une approche expérimentale. Pour cela, une configuration de dépôt spécifique est étudiée. Cette dernière consiste à déposer un cordon sur l’épaisseur d’une plaque maintenue uniquement sur l’une de ses extrémités. En laissant les autres bords libres les contraintes liées au bridage sont peu influentes. Compte-tenu de cette configuration, le modèle thermomécanique mis en place est bidimensionnel et il est traité sous l’hypothèse des contraintes planes. L’ajout de matière est considéré au fur et à mesure de la construction du cordon avec une méthode de maillage adaptée. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales relevées en cours de procédé ou en post-procédé afin de discuter la validité du modèle. L’autre objectif de cette thèse est de mettre en évidence l’influence des paramètres procédé sur le comportement thermomécanique des pièces fabriquées. Pour cela, trois jeux différents de paramètres procédés sont définis en fonction de l’énergie linéique de dépôt mise en jeu. Les différences et similitudes constatées numériquement et expérimentalement, aussi bien au niveau des champs thermiques que des champs mécaniques, sont discutées. Enfin, le dernier objectif de cette thèse est de construire un modèle de Déformations Inhérentes qui permette d’estimer rapidement les niveaux de contraintes résiduelles et de déformations pour n’importe quelle structure 3D réalisée avec des paramètres procédés déterminés. Pour cela, une analyse des déformations plastiques obtenues avec la modélisation thermomécanique est réalisée. Ces dernières sont ensuite implémentées comme données d’entrée dans un modèle de Déformations Inhérentes avec la configuration étudiée. La répartition et les niveaux des contraintes résiduelles ainsi que la déformée globale de la pièce obtenus pour le modèle thermomécanique et le modèle de Déformations Inhérentes sont comparés et discutés.