Essais & Simulations 144

ESSAIS ET MODÉLISATION

ESSAIS ET MODÉLISATION UTILISATION DE LA LPBF POUR LA FABRICATION D’UN COMPOSANT DE MOTEUR DE FUSÉE L’ITRI étudie le processus de la LPBF afin de trouver un équilibre entre les contraintes de coût et de temps et la nécessité d’obtenir des produits finaux de qualité. Chercheurs au System Innovation Department de l’AM, plus précisément au Laser and Additive Manufacturing Technology Center (LAMC) de l’ITRI, les ingénieurs Wai-Kwuen Choong et Tsung-Wen Tsai, et le directeur Steven Lin, optimisent le procédé LPBF pour la fabrication d’un composant d’injecteur imprimé en 3D (3DP) pour les moteurs de fusée hybrides TiSPACE (Figure 1). L’injecteur 3DP est conçu par TiSPACE pour améliorer l’efficacité du mélange des propergols hybrides du moteur et utiliser une conception optimisée pour les écoulements des fluides. L’ITRI a encore amélioré la conception en utilisant la fabrication additive (DFAM). Comme l’explique Wai-Kwuen Choong, « le canal d’écoulement interne est complexe et les Figure 1. Un composant d’injecteur 3DP. caractéristiques consolidées des composants de cette pièce en font une excellente démonstration de la technologie LPBF ». Il est important de tenir compte des défis de conception associés aux LPBF lors de la fabrication de l’injecteur. Dans une pièce de cette taille, généralement d’environ 110 mm x 110 mm x 170 mm, l’accumulation de contraintes thermiques est inévitable et peut entraîner une grande déformation résiduelle dans la direction z ; la direction axiale de l’injecteur. Cette déformation peut – et a – provoquer le blocage de l’étalement de la poudre En optimisant le procédé LPBF pour éviter la déformation, L’ITRI et TiSPACE réduisent le temps et les coût de production. et l’arrêt du système. En optimisant le procédé LPBF pour éviter la déformation, L’ITRI et TiSPACE réduisent le temps et les coûts de production. PRÉVOIR LES RÉSULTATS FINAUX GRÂCE À LA SIMULATION EN MÉCANIQUE En règle générale, le résultat du procédé LPBF est prévu à l’aide de règles empiriques simplifiées et d’une méthode essais & erreurs. Un exemple est la règle des 45°, une règle simple et communément acceptée dans le domaine de la fabrication additive, selon laquelle une géométrie doit éviter de comprendre des angles supérieurs à 45° en avancée, sinon ce n’est pas un bon candidat pour de l’impression 3D. En effet, la couche à imprimer dépasserait par rapport à la couche inférieure et la nouvelle couche ne bénéficierait pas d’un support suffisant. Cette règle n’est pas utile pour des géométries complexes comme celle de l’injecteur 3DP, et les essais et erreurs peuvent donc rapidement absorber le temps et les coûts de fabrication d’un tel projet. Pour y remédier, l’ITRI 12 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021

ESSAIS ET MODÉLISATION utilise le logiciel de simulation Comsol Multiphysics pour prévoir la contrainte résiduelle et la déformation de la pièce fabriquée (figure 2). Figure 2. Simulation du procédé de fabrication de l’injecteur 3DP LPBF. Si l’inherent strain method a d’abord été utilisée pour prédire les contraintes et déformations résiduelles dans les problèmes de soudage, elle l’est également pour résoudre es problèmes de fabrication additive Pour prévoir les gradients thermiques à l’origine des contraintes et des déformations dans la fabrication de l’injecteur, l’équipe a implémenté la méthode des déformations intrinsèques (inherent strain method) dans ses premières simulations. Cette méthode a d’abord été définie pour prédire rapidement les contraintes et déformations résiduelles dans les problèmes de soudage, mais elle est également de plus en plus utilisée pour résoudre les problèmes de fabrication additive pour les métaux. L’équipe a utilisé l’Interface Solid Mechanics du Module Structural Mechanics pour effectuer une analyse thermomécanique. Ils ont estimé les contraintes et les déformations résiduelles dans la pièce fabriquée. Pensée pour la modélisation de la fabrication additive, la Fonction Activation du logiciel Comsol est idéale pour modéliser la répétition, l’addition et la fusion couche par couche impliquées dans les LPBF. Ils ont également utilisé le Module Optimization pour optimiser l’orientation de la pièce et le support du composant pendant la fabrication. MISE EN PLACE DE L’APPLICATION ITRI AMSIM EN FABRICATION L’équipe de l’ITRI a utilisé la simulation pour prédire avec succès les résultats des contraintes et des déformations pendant le procédé LPBF, mais il restait encore un problème : Les ingénieurs de fabrication des systèmes AM qui déploient le procédé LPBF ne sont généralement pas familiarisés avec la simulation. Embaucher un spécialiste de la simulation ne ferait qu’augmenter le ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021 I13