Essais & Simulations 144

ESSAIS ET MODÉLISATION

ESSAIS ET MODÉLISATION temps et le coût du projet. Alors que faire ? L’équipe a conçu une application de simulation (figure 3) avec une interface utilisateur intuitive et des entrées et sorties spécialisées à partir de leur modèle LPBF, qu’elle a baptisée ITRI AMSim App. Les applications peuvent être construites sur la base de modèles existants avec l’Application Builder de Comsol Multiphysics. L’application de simulation permet aux ingénieurs procédés de prédire et d’évaluer les caractéristiques de fabrication pour un procédé de production optimisé. Elle comprend des entrées pour un fichier STL, des lois de comportement matériau élastique ou élastoplastique (disponible avec le module Nonlinear Structural Materials), et permet de choisir d’activer ou de désactiver la simulation du procédé de coupe, ou le retrait de la plaque de base. Elle comprend également un choix de cinq matériaux différents pour les poudres : Ti 6Al-4V, un alliage de titane ; MP1, un alliage de CoCrMo ; PH1 et 316L, des aciers inoxydables, et AlSi10Mg, un alliage d’aluminium. Les sorties de l’application sont les données dont les ingénieurs procédés ont besoin sur le terrain, comme les déplacements et la répartition des contraintes résiduelles pendant la phase de production et après la découpe. Les entrées de l’application sont basées sur une calibration expérimentale, que l’équipe de l’ITRI a effectuée via différentes mises en œuvre du procédé de fabrication pour extraire le bon vecteur de contrainte intrinsèques. Ce vecteur, ou les composantes de ce vecteur, changent en fonction du matériau en poudre et des paramètres du laser, tels que la puissance du laser, la taille de son faisceau, la vitesse de balayage, la taille du hayon, entre autres. L’application a été compilée en un exécutable autonome à l’aide de Comsol Compiler. L’application compilée a été distribuée aux ingénieurs procédés et peut être exécutée sans licence Comsol Multiphysics ou Comsol Server. L’équipe de l’ITRI gère en fait indépendamment la Figure 3. L’application ITRI AMSim. distribution de ses applications, comme par exemple de les proposer aux utilisateurs pour une période d’essai de trois mois. Interrogé sur les avantages de l’utilisation des applications de simulation pour le projet commun entre l’ITRI et TiSPACE, Wai-Kwuen Choong a souligné le gain de temps et financier, ajoutant que « tout revient au final à une question de coût ». GAGNER DU TEMPS ET RÉDUIRE LES COÛTS GRÂCE AUX APPLICATIONS Avant la création et le déploiement de l’AMSim, la fabrication de l’injecteur 3DP à TiSPACE a été démarrée et interrompue à quatre reprises par une méthode de type essai & erreur. À chaque fois, le procédé a échoué, soit parce que l’étalement de la poudre s’est bloqué, soit parce que la pièce elle-même s’est cassée. Après la mise en place de l’AMSim, le temps total consacré aux tests de procédure a diminué de 75 %. L’application de simulation a permis à l’équipe de déterminer une zone à haut risque pour le composant et d’ajouter plus de supports lors de la réalisation, ce qui a permis de finalement réussir la fabrication. Il est à noter que la mise en œuvre effective du procédé de AM pour tester la fabrication de la pièce prend environ une semaine, alors que la simulation de l’application prend moins d’une heure. La prise en compte des coûts de maind’œuvre, des machines et des matériaux de ces essais comparée aux coûts d’exécution de l’application de simulation permet d’estimer une réduction des coûts de 83,3 %. Enfin, le temps nécessaire pour fabriquer l’injecteur 3DP par AM, en comparant simulation et tests, est réduit de 99 %. PROJETS FUTURS POUR L’AMÉLIORATION DES APPLICATIONS L’équipe ITRI prévoit d’améliorer AMSim, qui a déjà bénéficié de trois mises à jour, avec de nouvelles fonctions pour l’étalonnage des matériaux, ainsi que des fonctionnalités pour détecter les surcouches lors de l’étalement de la poudre et simuler les structures de soutien, entre autres. Ils espèrent que l’ajout de fonctions plus avancées mais plus conviviales rendra l’application encore plus efficace et rentable qu’elle ne l’est déjà, ce qui améliorera encore le retour sur investissement pour les utilisateurs débutants dans le secteur de l’AM en réduisant la durée d’apprentissage. Avec l’application AMSim de l’ITRI, prévisions précises du procédé d’impression 3D et production sans échec deviennent effectifs ● 14 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021

ESSAIS ET MODÉLISATION EN APPLICATION Comment DatapointLabs simule la « V&V » des matériaux complexes Le besoin en précision des simulations ne cesse d’augmenter (pour les calculs qui sont considérés comme « critique »). La simulation, qui ne servait à l’origine que d’aide à la conception, est désormais devenue un outil de prédiction et de prises de décisions pouvant avoir des impacts non négligeables sur tous types de projets. Pour mener à bien un projet, il est de plus en plus nécessaire d’opter pour une simulation physiquement précise et prédictive. En ce sens, la vérification et la validation (V&V) représente une étape importante pour la simulation haute-fidélité. Selon Hubert Lobo (fondateur de DatapointLabs), les simulations utilisent des modèles mathématiques pour reproduire la réalité physique. Aussi, la vérification est la confirmation d’un modèle mathématique. Le test d’élément unitaire vérifie que l’élément fini se comporte de façon réaliste… tandis que la validation est la confirmation de tout le reste : le choix du type d’élément, l’effet de taille de maille, des paramètres de simulation, des données matérielles, de leurs conversions, etc. Ainsi, la validation est le plus souvent du côté de l’ingénieur, l’expert calcul ou le chef de projet tandis que la vérification est plutôt du côté de l’éditeur du logiciel ou des responsables méthodes numériques. Avec l’arrivée de matériaux complexe, les éditeurs ne cessent de travailler sur des nouveaux modèles de comportement qui font l’objet de vérifications la plupart du temps avec des tests sur échantillon. DatapointLabs travaille depuis sa création (il y a plus de vingt-cinq ans) en partenariat avec les éditeurs sur la mise au point normalisée d’essais de caractérisation de matériaux permettant d’obtenir les paramètres matériaux des logiciels de simulation vérifier et vérifiables. On peut distinguer d’autre part les paramètres internes au modèle pour la validation des matériaux complexe dans la simulation. Les principaux facteurs identifiés sur la validation d’un matériau en simulation sont : • les paramètres de la simulation (solveur et paramètres associés), • le type d’élément, • la taille du maillage, • le choix du modèle de matériau, • le processus d’obtention des paramètres du modèle de matériau • la qualité et l’adéquation des propriétés du matériau utilisé. La méthode de validation de DatapointLabs nommée CAETestBench présente un moyen de vérifier l’exactitude de la simulation par rapport à une expérience physique réelle. Exemple de géométries standard pour la fabrication additive Parmi les différents paramètres influençant les résultats de la simulation, on peut distinguer d’une part les paramètres extérieurs au modèle élément finis comme la représentativité de la géométrie, des assemblages ou encore des conditions aux limites : blocage et cas de chargements (les projets feront souvent des études de « sensibilité » pour évaluer la fiabilité des calculs vis-à-vis de ces paramètres). ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021 I15