Archive — Entretiens de septembre 2019 avec Flow Science et AlphaSTAR. Les fonctions et exemples cités se rapportent aux logiciels présentés à cette date.
Les systèmes de fabrication comportent des interactions entre matériaux, équipements et paramètres de procédé. La simulation permet d’étudier une partie de ces interactions et de comparer des choix avant fabrication. Ce dossier examine son utilisation, ses avantages et ses limites en fabrication additive.
Nous discuterons de ce sujet en mettant l’accent sur l’utilisation des logiciels de simulation, leurs avantages et leurs limites. Pareekshith Allu, ingénieur senior CFD chez FLOW Science Inc. et Rashid Miraj, directeur des opérations techniques chez AlphaSTAR ont partagé leur expertise dans ce dossier.
Les deux sociétés ont une grande expérience dans les solutions logicielles. Elles fournissent leurs services dans un large éventail d’industries et, évidemment, la fabrication additive en fait partie.
Flow Science, Inc. est une société de logiciels qui développe des outils pour la dynamique des fluides computationnelle, également connue sous le nom de CFD. Parmi ses solutions CFD, la société a développé FLOW-3D, un logiciel qui fournit des solutions aux problèmes d’écoulement en surface libre.
De son côté, AlphaSTAR Corporation est une société de logiciels qui fournit des services d’ingénierie avancés pour les technologies de simulation basées sur la physique. Dédiée à la fabrication additive, à la modélisation structurelle et à l’analyse de structures composites avancées, ses technologies de simulation sont exploitées dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de la défense et de l’énergie partout dans le monde. La société a développé GENOA3DP, un outil de simulation de fabrication additive qui permet de prédire la déformation, les contraintes résiduelles, l’apparition de dommages et la formation de fissures associées aux pièces imprimées en 3D.
Les deux experts prendront des exemples de cas d’utilisation développés par l’entreprise dans laquelle ils travaillent, pour illustrer leurs arguments.
Un outil de simulation représente un procédé ou un système à l’aide de modèles. Il permet d’étudier le comportement attendu, de comparer des conceptions ou d’examiner des conditions difficiles à reproduire. La pertinence des résultats dépend des hypothèses, des données d’entrée et de leur validation.
Les ingénieurs peuvent ainsi réduire certains essais physiques et explorer plusieurs conceptions avant fabrication. La simulation aide à cibler les essais ; elle ne dispense pas de confronter les prévisions à des mesures représentatives du procédé et de la pièce.
Le choix du logiciel doit donc partir des phénomènes à étudier, de l’échelle du modèle, des données disponibles et des décisions que le calcul doit éclairer.
Principales caractéristiques des logiciels de simulation pour la fabrication additive
Selon Pareekshith Allu, Senior CFD Engineer chez FLOW Science, Inc, « un logiciel de simulation doit avoir trois caractéristiques : il doit implémenter avec précision la physique pertinente sur une gamme d’échelles de longueur et de temps, il doit être efficace en termes de calcul et doit être intuitif pour l’utilisateur ».
Bien que la simulation puisse être appliquée avec différentes technologies d’impression 3D, l’ingénieur senior CFD met également l’accent sur les différentes nuances qui peuvent survenir lors de l’utilisation d’un logiciel de simulation pour différentes technologies de FA.
« Par exemple, dans le cas de la fusion laser en lit de poudre (LPBF), du dépôt sous énergie concentrée (DED) et de la fusion sélective par faisceau d’électrons (SEBM), nous devons être en mesure de simuler l’étalement et le compactage de la poudre, la dynamique du bain de fusion et les défauts associés tels que la formation de bille et de trou de serrure, et les contraintes et distorsions résiduelles dans la pièce terminée. Notre outil de modélisation FLOW-3D® simule avec précision ces processus de FA en implémentant toutes les physiques sous-jacentes pertinentes aux micro- et méso-échelles» ajoute Pareekshith Allu.
« Grâce à ces simulations, les utilisateurs peuvent développer des fenêtres de processus pour divers paramètres tels que la puissance laser, la vitesse de balayage, l’espacement des trajectoires de balayage et la distribution de la taille des poudres, afin de fabriquer avec succès différents alliages de façon additive. L’efficacité informatique permet aux ingénieurs de la FA de générer ces fenêtres de processus plus rapidement que par la réalisation d’essais.
Bien sûr, la facilité d’utilisation est la clé d’une intégration réussie d’un logiciel de simulation. Une interface intuitive, basée sur les processus, permet aux utilisateurs de suivre une séquence logique de configuration qui implémente les entrées nécessaires telles que les propriétés des matériaux, les géométries CAO, le maillage et les conditions limites de manière significative. Cela se traduit par une courte courbe d’apprentissage pour les nouveaux utilisateurs et un outil de simulation accessible à un public plus large de professionnels de l’industrie et du monde universitaire. »
Pour AlphaSTAR, par contre, une simulation précise d’une pièce à fabriquer par FA doit comprendre les composantes et techniques suivantes :
– Un modèle virtuel de matériau tel que construit, validé incorporant les propriétés des matériaux dépendantes de la température.
– Évaluation de la qualité du code g, du trajet laser, du procédé d’impression et de la pièce imprimée.
– Simulation de processus thermique-structurelle entièrement couplée analysant les déformations et les défauts de construction.
– Possibilité de soumettre le modèle de la pièce telle que fabriquée aux charges de service.
AlphaSTAR décrit aussi des modèles d’effets environnementaux et de défauts. Ces calculs peuvent contribuer à une démarche de qualification, mais un résultat logiciel ne certifie pas à lui seul une pièce ou un procédé.
De plus, la fabrication additive reste un sujet relativement vaste et une chose que nous avons déjà observée est que les technologies d’impression 3D ne se ressemblent pas vraiment et peuvent nécessiter un large éventail de matériaux. Aussi, les solutions logicielles de simulation changent-elles en fonction d’un type spécifique de procédé de fabrication additive ou en fonction des matériaux utilisés ?
Logiciel de simulation, procédés de fabrication additive et matériaux
Les principes physiques peuvent être communs à plusieurs procédés. En revanche, le modèle, ses paramètres, ses conditions aux limites et son domaine de validité doivent correspondre au procédé et au matériau étudiés.
La fusion laser sur lit de poudre et la fusion par faisceau d’électrons utilisent une source d’énergie pour fondre sélectivement un lit de poudre. Le dépôt sous énergie concentrée apporte la matière dans une zone fondue ; selon l’équipement, cette matière peut être une poudre ou un fil. Des phénomènes de fusion, d’écoulement et de solidification leur sont communs, sans que leur alimentation en matière ou leur modélisation soit identique.
Prenant l’exemple du logiciel FLOW-3D, Pareekshith Allu ajoute que : « Certes, la mise en place et l’analyse de tels processus dans un outil de simulation seront différentes, mais en fin de compte, avec le logiciel FLOW-3D, les utilisateurs continueront à adopter une approche basée sur la CFD et à résoudre les équations pertinentes régissant ces phénomènes pour modéliser tous ces processus. »
Pour le jet de liant, l’étape de dépôt étudiée ne fond pas les particules. Flow Science propose d’analyser l’interaction du liquide liant avec le lit de poudre, selon la granulométrie et les caractéristiques des gouttes. Les étapes ultérieures de déliantage et de frittage, lorsqu’elles sont nécessaires, constituent d’autres problèmes de modélisation.
« Quant aux propriétés des matériaux, elles sont intégrées dans le logiciel FLOW-3D. La solution logicielle ne changera pas en ce sens qu’un outil basé sur la physique résout toujours les mêmes équations de référence sous-jacentes, quelles que soient les propriétés des matériaux qui sont introduites dans le modèle », conclut Pareekshith Allu.
Ceci étant dit, il nous reste à déterminer ce qu’un logiciel de simulation est capable de réaliser dans la pratique.
GENOA 3DP : le cas présenté par AlphaSTAR
Le cas d’un support annulaire de montage pour une agence de défense
Dans ce dossier, AlphaSTAR présente GENOA 3DP comme un outil d’analyse virtuelle des matériaux et des procédés. Les paramètres étudiés, tels que la vitesse d’impression et la température, dépendent du cas traité. Rashid Miraj explique son utilisation pour un support annulaire de montage destiné à une agence de défense.
« GENOA 3DP est une solution micromécanique qui permet aux utilisateurs de qualifier virtuellement chaque étape du processus de la FA, de la caractérisation des matériaux à la simulation/optimisation de la construction et au chargement en service de la pièce imprimée. »
« Dans le cas d’un support annulaire de montage pour une agence de défense, GENOA 3DP a pu simuler le processus de FA du début à la fin : en commençant par un modèle de matériau qui tient compte des propriétés dépendantes de la température et de l’effet des défauts ; deuxièmement, l’utilisation de l’analyse des défaillances progressives multi-échelles pour simuler
la construction et identifier les anomalies de fabrication liées à la géométrie (c.-à-d. le besoin de supports) et à la propagation de dommages. De plus, le logiciel a permis de concevoir des plans d’expériences pour identifier une trajectoire de fabrication optimale et réduire les défauts de fabrication tels que les contraintes résiduelles. Enfin et surtout, le modèle virtuel de la pièce telle que fabriquée a été soumis à une charge de service afin de s’assurer que le produit fini respectait les spécifications et la qualification.»
Comment le logiciel FLOW-3D se distingue-t-il des autres produits de la même gamme ?
Effets de la distribution aléatoire des poudres et de l’évaporation des matériaux sur la dynamique du bain de fusion
Flow Science présente FLOW-3D comme un moyen d’étudier les phénomènes locaux du procédé et de construire des fenêtres de paramètres. L’exemple qui suit porte sur la dynamique du bain de fusion.
En effet, grâce à l’algorithme breveté TruVOF®, il est possible de suivre l’évolution de la surface du bain de fusion. À cet algorithme s’ajoutent divers modèles physiques tels que la tension superficielle, les écoulements visqueux, le chauffage laser, la pression d’évaporation, le changement de phase et la solidification. Une méthode par éléments discrets (DEM) a également été intégrée pour simuler l’étalement et le compactage de la poudre.
Pour ce dossier, Flow Science présente une étude de l’effet de la distribution de poudre et de l’évaporation sur le bain de fusion.
« Un modèle numérique tridimensionnel qui incorpore un lit de poudre distribué aléatoirement et l’évaporation du matériau a été développé en utilisant FLOW-3D pour étudier la dynamique du bain de fusion avec formation de trous de serrure dans un procédé de fusion au lit de poudre laser.
La méthode des éléments discrets (DEM) a été utilisée pour simuler l’empilement des poudres, ce qui explique le mouvement d’un grand nombre de particules, y compris les interactions entre particules et entre particules & parois. Le modèle a été validé en mesurant les distributions granulométriques dans des zones spécifiques et en s’assurant qu’aucune ségrégation granulométrique ne se produise. Ensuite, le comportement d’écoulement du bain de fusion est caractérisé par l’étalonnage des paramètres dans le modèle numérique pour obtenir une bonne concordance avec les résultats expérimentaux. L’importance d’inclure l’évaporation des matériaux dans le modèle numérique est démontrée par la mesure des dimensions du bain de fusion, qui s’avèrent plus étroites et plus profondes que lorsque les effets d’évaporation ne sont pas considérés.
De plus, un effet de keyholing est observé en raison de la pression de recul résultant de l’évaporation, qui affecte la morphologie de surface et les températures de surface du bain
de fusion.»
Cette comparaison concerne le cas et les grandeurs étudiés. Le programme AM-Bench du NIST illustre l’intérêt de mesures contrôlées pour évaluer les modèles ; une concordance sur un exemple ne valide pas automatiquement tous les matériaux, machines ou conditions de fabrication.
L’évolution des logiciels de simulation dans l’industrie de la fabrication additive
Cette vue d’ensemble dans le monde des logiciels de simulation donne une perspective intéressante sur les raisons et les caractéristiques que les utilisateurs considèrent comme importantes pour tirer profit d’un logiciel de simulation. Bien que ces entreprises ne partagent leurs idées qu’en fonction des commentaires de leurs clients ou de leur propre expérience, gardez à l’esprit qu’en fin de compte, le plus important est que l’utilisateur soit capable de savoir comment produire une pièce métallique ou polymère avec des résultats fiables et répétables.
Comme AlphaSTAR l’a dit : « Le rôle le plus important du logiciel dans l’industrie de la FA est de voir qui peut livrer des produits finis qui répondent aux demandes des clients. »
Dans leurs entretiens de 2019, les experts identifient deux besoins : des calculs réalisables dans un délai utile sur les moyens informatiques disponibles, et des données matériaux adaptées. Le compromis entre précision, temps de calcul et validation dépend de la décision industrielle à prendre.
Enfin, il va sans dire que chaque entreprise de logiciels aura ses propres domaines qu’elle devra améliorer pour atteindre ses objectifs commerciaux.
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