Modèles 1D enrichis pour la fabrication additive : construction thermodynamique et applications multi-matériaux

Ce travail propose un cadre original de modélisation mécanique basé sur des modèles~1D à cinématique enrichie pour la fabrication additive par dépose de cordon. Les modèles développés sont des modèles multifils construits à l’aide d’une méthode de construction axiomatique, s’appuyant sur le principe des puissances virtuelles et le cadre thermodynamique des matériaux standards généralisés. L’approche de modélisation s’appuie sur la géométrie caractéristique des pièces issues de la fabrication additive, construites par superposition de cordons élancés. La section étant très réduite par rapport à la longueur, la discrétisation numérique est contrainte par l’épaisseur du cordon. Les modèles proposés exploitent cet élancement non comme une limite, mais comme un levier pour réduire le nombre de degrés de liberté et accélérer le calcul mécanique. Bien que géométriquement simples du fait de leur nature unidimensionnelle, ils permettent de représenter des efforts tels que la traction-compression ou le cisaillement, induisant des déformations complexes de la section du cordon. La construction des modèles, comprenant la définition des grandeurs généralisées, l’établissement des équations d’équilibre, de diffusion de la chaleur et du comportement des matériaux, est présentée dans un premier temps. Le modèle mécanique nommé QuadWire est ensuite utilisé dans une stratégie de couplage faible avec le modèle thermique ScanFast pour simuler différents procédés de fabrication additive métallique et polymère. Une validation expérimentale du modèle est ensuite réalisée à l’aide de mesures in-situ. Enfin, il est utilisé comme outil de conception, dans le cadre de procédés de fabrication additive grande échelle à base de polymère et de béton, pour réduire l'instabilité structurelle, les contraintes résiduelles et ajuster la trajectoire et le parcours d'impression. Ces applications démontrent la capacité du modèle a être utilisé comme outil de conception, de dimensionnement et de contrôle du procédé.