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La possibilité de construire de très grands composants avec un taux de dépôt élevé est ce qui rend la fabrication additive (AM) par dépôt direct d’énergie (DED) métallique plus attrayante que de nombreuses autres disciplines de FA. Le procédé DED AM dépose du métal en fusion, couche après couche, pour constituer une pièce. La plupart des systèmes utilisent un laser, un plasma, un faisceau d’électrons ou un arc pour générer de la chaleur et un fil ou une poudre soufflée pour ajouter de la matière.

Théoriquement, les pièces DED AM sont de taille presque illimitée et peuvent prendre de nombreuses formes complexes en fonction de la source d’énergie et de la méthode de livraison de la matière première.

Néanmoins, la nature même du processus DED AM introduit des défis dans la forme de la pièce ou la contrainte thermique, la déformation et la distorsion. Ces facteurs peuvent rendre difficile la construction de pièces en une seule itération imprimée qui répondent aux exigences du dessin technique. Jusqu’à présent, ces problèmes ont été atténués par l’expérience et les essais et erreurs à l’ancienne. Lorsqu’une seule génération coûte des dizaines de milliers de dollars et prend des jours, des semaines ou même des mois, une nouvelle approche est justifiée pour minimiser le nombre de versions nécessaires pour obtenir un résultat acceptable.

La simulation permet l’essai virtuel

Les logiciels de simulation de processus pour les applications de soudage et de fabrication additive sont devenus de plus en plus populaires ces dernières années. Les ingénieurs utilisent le logiciel pour évaluer l’historique thermique et les contraintes, déformations et distorsions résultantes de la structure pendant le processus de construction. Cela permet l’essai virtuel très important.

Avant d’effectuer des constructions DED physiques, l’utilisateur peut prédire le résultat du processus AM planifié et diminuer les résultats indésirables avant de tenter des constructions physiques. Cependant, la simulation n’est pas sans son propre ensemble de défis, tels que les longs temps de résolution nécessaires pour effectuer le calcul de la simulation par ordinateur. Dans certains cas, cela peut prendre beaucoup plus de temps que le processus physique lui-même, ce qui rend la simulation moins intéressante.

Dans un effort pour réduire considérablement les temps de résolution, une certaine simplification de l’approche de modélisation ou de calcul peut être appliquée. Le compromis pour de grandes améliorations de vitesse peut être une perte de précision des résultats. Les commentaires des utilisateurs de l’industrie DED révèlent qu’un résultat de simulation directionnellement correct avec même une précision de 50 % est toujours très utile si le temps de simulation est raisonnable.

Un autre défi est la disponibilité des données sur les propriétés des matériaux, qui est un élément clé pour la simulation de processus DED. La précision des propriétés thermiques et mécaniques des matériaux joue un rôle central dans la détermination de la robustesse du résultat final. Les données sur les propriétés des matériaux définies de manière robuste ne sont souvent pas disponibles et des hypothèses doivent être faites, ce qui entraîne des résultats de simulation moins précis.

La prédiction de l’historique thermique est là où elle commence

La simulation de processus peut également prédire efficacement l’histoire thermique locale, informant l’ingénieur de deux manières supplémentaires : 1) prédire le temps à la température locale, les vitesses de refroidissement et les microstructures résultantes, et 2) prédire l’histoire thermique locale à utiliser dans les mécanismes de contrôle de processus. La prédiction de la microstructure et du grain permet aux ingénieurs d’évaluer l’aptitude de la structure à l’usage auquel elle est destinée. Certaines micro-structures et structures granulaires sont plus ou moins souhaitables que d’autres et ont des propriétés de matériau différentes telles que la limite d’élasticité, la ductilité et l’allongement, qui peuvent répondre à la conception / au matériau autorisé spécifié.

Il est possible de contrôler le processus DED d’une manière qui permet d’obtenir une microstructure plus souhaitable ainsi que les propriétés du matériau résultant. La simulation rend cet effort réalisable. La prédiction de l’historique thermique local permet aux ingénieurs d’établir à quoi devrait ressembler la température de surface locale au fil du temps. Ces informations alimentent ensuite un système de contrôle de processus pour s’assurer que la construction progresse comme prévu. Les données d’historique thermique permettent également aux ingénieurs d’examiner les régions qui peuvent devenir problématiques pendant le processus de construction. Les mêmes données facilitent la détermination des temps de pause idéaux (temps de refroidissement) entre les couches ou les régions de la pièce.

Réaliser les possibilités du DED

Les partenariats technologiques développent activement des stratégies et des solutions pour surmonter bon nombre de ces défis. DM3D d’Auburn Hills, Michigan travaille actuellement avec la division Manufacturing Intelligence d’Hexagon de North Kingstown, RI pour permettre une nouvelle ère de production de composants DED à grande échelle. DM3D est un fournisseur de machines et de services DED à poudre soufflée au laser avec la capacité de construire certaines des plus grandes pièces de n’importe quelle machine AM sur le marché aujourd’hui. Comme tous les fournisseurs de machines métalliques DED AM, DM3D a une compréhension approfondie des défis posés par les effets thermiques de leur processus. Hexagon a développé une suite complète de logiciels de simulation, dont un module spécifique au DED.

« La capacité de prévoir et de gérer l’historique thermique, les contraintes résiduelles et la distorsion qui en résulte est essentielle pour obtenir une pièce utilisable. Grâce à l’application du logiciel de simulation Simufact Welding d’Hexagon, DM3D est en mesure de tester le processus prévu avant de lancer la construction physique et d’effectuer les ajustements nécessaires », a déclaré Bhaskar Dutta, président de DM3D. « Nous examinons principalement la distorsion de la structure : emplacement, ampleur et moment où elle se produit. Nous évaluons également l’histoire thermique, le profil de contrainte résiduelle et la perte de hauteur Z.

« En réduisant la quantité de stock d’usinage supplémentaire ajouté à la pièce et le nombre d’itérations nécessaires, DM3D est en mesure d’obtenir de meilleures pièces en un temps et à un coût réduits. Nous avons constaté que le module Simufact DED d’Hexagon est l’un des produits logiciels les plus avancés du marché. Simufact a développé une interface utilisateur graphique (GUI) orientée processus et un solveur rapide qui réduit considérablement l’effort de modélisation et le temps de calcul, tout en donnant des résultats raisonnables », a conclu Dutta.

Progresser vers la construction physique en toute confiance

Une construction physique peut se poursuivre une fois qu’un processus approprié est déterminé pour le modèle CAO 3D à imprimer, et que l’essai est terminé via une simulation de processus. Le logiciel de simulation génère un code G compensé ou une représentation géométrique qui, une fois construit, se déformera en forme. Ce plan de construction est envoyé à la machine DED et la construction commence. À ce stade, l’accent est mis sur la garantie que la construction résultante progresse comme prévu et répond aux spécifications dimensionnelles requises. Pendant la construction, les données d’imagerie thermique sont collectées dans et autour du bain de fusion ainsi qu’à d’autres endroits de la pièce. Ces données sont comparées aux données de simulation pour valider que l’histoire thermique progresse comme prévu ; c’est l’indicateur le plus significatif d’un résultat positif. Les ingénieurs peuvent également inspecter la géométrie de construction, généralement à l’aide de systèmes de mesure optiques ou tactiles.

Les données de mesure et leur comparaison avec la géométrie de la pièce prévue sont utilisées pour évaluer la conformité dimensionnelle de la pièce imprimée. Cependant, il est important de noter que la géométrie telle que construite dans DED AM est généralement une « forme quasi nette ». Il n’est pas pertinent de comparer ces données à la géométrie nominale CAO, car il y a généralement une quantité importante de matériau en excès ajouté à la construction qui doit être enlevée lors de l’usinage final. Ce processus supplémentaire est nécessaire car le DED ne produit pas une finition de surface acceptable pour la plupart des applications. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs doivent également disposer d’une représentation géométrique précise de la forme quasi nette à comparer avec les données de mesure. Cette étape permet aux ingénieurs d’identifier la non-conformité et de la supprimer du processus en tant que rebut le plus tôt possible, avant d’effectuer des opérations à valeur ajoutée supplémentaires.

Atteindre des tolérances plus strictes

Même avec une simulation de processus efficace, la première construction peut ne pas être entièrement conforme à ses spécifications dimensionnelles en raison du comportement thermomécanique hautement non linéaire inhérent au processus DED. Dans ce cas, un flux de travail secondaire est requis.

Après la première construction physique, la pièce est scannée avec un appareil de mesure et une représentation numérique de la géométrie telle que construite est générée. Le logiciel de métrologie avancée Volume Graphics est utilisé pour analyser ces données afin d’obtenir des champs de déformation au sein de la pièce. Ces champs de déformation sont utilisés pour effectuer une compensation à partir du scan, transformant la géométrie déjà compensée par la simulation du processus. Ce faisant, l’ingénieur peut être sûr que le processus d’essai sera très probablement limité à pas plus d’une construction physique pour obtenir un contrôle dimensionnel de la construction DED AM. Cependant, dans le cas où des tolérances plus strictes sont requises, ce processus peut être effectué de manière itérative dans le but de se rapprocher de plus en plus de la valeur nominale.

DED AM est un processus de fabrication exigeant à très fort potentiel. La voie du succès nécessite des solutions modernes pour atteindre les objectifs de contrôle qualité, réduire les coûts de production et réduire le délai de livraison du premier article. La simulation de processus, la surveillance en cours de processus et la compensation par balayage présentent une puissante combinaison d’outils d’ingénierie qui peuvent propulser le dépôt d’énergie directe du métal à son plein potentiel pour les pièces fabriquées additives à grande échelle.