Magazine Lundi 14 octobre 2019 - 07:00

Simuler la fabrication additive, oui mais. Pour mieux fabriquer ou mieux concevoir ?

Partagez cette news :

distortion-fabrication-additive-simulation

Simuler la fabrication additive métallique permet de mieux maîtriser la fabrication des pièces. L’un des phénomènes les plus risqués est l’arrachement du plateau. N’est-il pas trop tard pour prendre connaissance de ce problème quand la pièce arrive à l’atelier de fabrication ?

En fabrication additive métallique, un certain nombre de règles de conception sont applicables pour chaque mode d’élaboration. Les plus difficiles à émettre sont celles qui concernent la réduction des déformations induites, celles qui sont dues aux contraintes thermomécaniques, créées au moment de la transformation de la matière. Les évènements thermiques qui se déroulent durant le procédé d’impression ont de lourdes conséquences sur le résultat obtenu. Le titane, de plus en plus utilisé dans les procédés de fabrication additive, augmente par exemple le nombre d’échecs potentiels. Ce matériau impose de fortes températures de fusion et, de surcroît, se dissipe mal. Il accumule des énergies capables de déformer un plateau de fabrication. Devant de telles grandeurs, on peut s’attendre à devoir détendre ses tensions à condition que le cycle de fabrication n’ait pas débuté par un arrachement de la. pièce de son plateau… Si tel n’est pas le cas, un traitement thermique de relaxation « sur plateau » permettra de relâcher une partie des tensions, laissant toutefois des déformations résiduelles après décrochage. Ces déformations seront-elles acceptables ? Sera-t-il possible de redresser à chaud comme pour une pièce moulée ? Avec un alliage d’aluminium, pourquoi pas ; avec du titane, cela s’avère très difficile.

Un dialogue nécessaire

Le lancement en fabrication impose un dialogue entre le concepteur et le fabriquant. La durée et le bilan de ce dialogue seront d’autant plus importants que le concepteur n’a que peu de connaissance du moyen d’élaboration. La montée en compétence du concepteur permettra, à terme, de lancer plus rapidement une pièce « réputée fabricable ».

Risques d’arrachage, déformation, fissurations…

Pour ce qui est de la fabrication additive, le concepteur doit avoir une idée de l’orientation de sa pièce sur le plateau. Il tentera avant tout de minimiser la hauteur de l’impression, qui détermine une part importante du coût. Déposer des couches prend du temps et coûte cher, surtout si la machine les dépose lentement. Il tentera aussi de minimiser la quantité de supports, dont le retrait manuel entraîne également un coût important. Mais ces orientations peuvent être défavorables à la déformation de la pièce.

En considérant que l’on dispose d’une géométrie 3D répondant aux exigences fonctionnelles et à une cible de coût, il devient intéressant de valider les grandes lignes d’une conception en simulant sa fabrication. Plus tôt on adapte le dessin de la pièce et moins on a à le modifier. Dans une telle situation, obtenir des tendances de déformation permet de piloter la conception, si cela est fait à temps.

De nombreuses solutions logicielles existent

Je ne rentrerai pas dans le détail des solutions proposées, je me contenterai d’en détourer le besoin durant l’étape de conception. Il me faudra une solution qui travaille vite car il faut s’attendre à devoir faire plusieurs itérations de modifications. Pour ce faire, je suis prêt à laisser de côté la précision pour ne garder que les tendances.

Calibrage des logiciels

La solution logicielle se base sur des modèles d’utilisation de machines génériques. Un « calibrage » peut être réalisé pour que la simulation reflète mieux le comportement de l’association machine / matière / paramètres. Il s’agit d’imprimer des « éprouvettes de calibrage » livrées par l’éditeur et d’en mesurer les déformations à différentes étapes du processus. Ces mesures seront importées dans le logiciel et affineront son modèle de comportement. Toutefois, ces calibrations ne seront incontournables que lorsque l’on voudra des valeurs exactes dans le but de créer un modèle 3D pré-déformé. Pour des tendances, le processus peut être allégé.

Image
fabrication-eprouvettes-traction-cylindriques

1 - Échec de fabrication de simples éprouvettes de traction cylindriques

Sur la figure 1, de simples éprouvettes cylindriques de traction en titane se sont décrochées du plateau. Deux tiers de la hauteur de la pièce ont été fabriqués avant que les supports fatiguent et s’arrachent. Personne n’avait prévu cet évènement, mais la conséquence en est, au mieux, un arrêt de production, au pire, une machine dérèglée si le racleur ou le rouleau viennent frapper la pièce relevée. Avec un peu d’habitude, il est possible de prévenir cet « effet banane ». Avant de disposer de logiciels dédiés, l’expérience des « bons faiseurs », en conception comme en fabrication, peut suffire pour limiter le nombre d’échecs de fabrication. Parce que cette éprouvette doit permettre de tester une direction d’impression précise et que sa quantité de matière est imposée, la seule solution est de renforcer le supportage en ajoutant des pylônes de pleine matière au risque de devoir les faire disparaître par usinage.

C’est lorsque l’on a entamé le lasage de la partie rectiligne et pleine de l’éprouvette que celle-ci s’est décrochée du plateau. On peut en tirer une règle : « la fabrication additive n’aime pas fusionner d’interminables longueurs ou surfaces continues ». Si on le peut, il faut donc briser cette continuité.

Pour des cas plus complexes

Qui peut prévoir la ou les zones à problème sur une pièce plus complexe ? Avec l’outil adéquat, une simulation pourrait les détecter. Les figures 2 et 3 représentent la version simplifiée d’une pièce sur laquelle sont conservés les éléments du problème. L’orientation étant imposée et aucune reprise d’usinage acceptée, la pièce sera en appui sur le plateau sur la surface jaune et des supports seront nécessaires sur les surfaces rouges et vertes.

Image
piece-fabrication-additive-simulation

2 / 3 - Une pièce simple cachant une difficulté de supportage

Un décrochage inattendu

Sur la figure 4, on voit bien qu'un soulèvement de la patte de fixation est survenu très tôt durant l’impression, interrompant le processus de fabrication.

Image
soulevement-patte-fixation-impression

4 - Soulèvement de la patte de fixation est survenu très tôt durant l’impression.

Simulation de la pièce initiale

Après une demi-heure de mise en données et de calcul, on distingue très nettement, sur la figure 5, une zone de déplacement maximum, localisant le risque avéré de décrochement à la frontière entre la géométrie et le support.

Image
distortion-fabrication-additive-simulation

Comment résoudre le problème ?

Remplacer les supports par de la matière rigide et pleine reviendrait à devoir faire une reprise d’usinage qui n’est pas autorisée dans le scénario. On peut opter pour diminuer la quantité de matière dans la zone perturbée grâce à un lamage. Mais cela est-il suffisant ? Dans ce cas, une participation du concepteur est nécessaire. Sur la figure 6, on s’aperçoit que le risque d’arrachement diminue fortement. Il peut cependant être remplacé par un risque de fissuration sur les bords du lamage…

Image
simulation-distortion-fabrication-additive

6/7 - Moins de matière et mieux répartie évite l’accumulation de contraintes locales.

La meilleure approche sera de limiter la matière au strict besoin en limitant la « fonction fixation » à des bossages très localisés. L’économie de matière répond à la maxime décrivant l’optimisation topologique : « la bonne quantité de matière, au bon endroit et pour la bonne raison ». La remise en question de la solution est dès lors sous la responsabilité du concepteur.

Simuler au bureau d’étude

À partir du moment où le comportement de la pièce peut être connu dans les grandes lignes, le concepteur peut intervenir avant même la prise en charge par l’imprimeur. Une fois le risque d’arrachement levé, il faudra s’intéresser au traitement des déformations persistant après le détachement du plateau. Il sera alors temps d’aborder la gestion des pièces pré-déformées, mais ceci est une autre histoire !

Les simulations ont été réalisées avec le logiciel SIMUFACT de MSC Software.

Newsletter

Ne manquez plus aucune info sur la fabrication additive