Apport à la simulation multiphysique du procédé LMD par couplage buse-pièce

Abstract

The LMD (Laser Metal Deposition) process is an additive manufacturing technique stemming from laser reloading. It consists in melting the part in a specific spot using a laser beam, and then forming the welding track by projecting a powder stream into the melt pool. Control of the process mainly depends on the proper setting of the laser power, the feed rate and the powder mass flow rate. However, the impact of these parameters on the geometry of the beads remains difficult to quantify and is the subject of several studies. The aim of this work is to build a numerical model able to predict the geometry of the deposit based on the aforementioned parameters, the specifications of the machine and the material properties. The trajectory of the powder particles in the nozzle is simulated by particle tracing in order to obtain an image of the powder stream at the outlet. While taking powder stream attenuation into account, beam propagation is also computed by ray tracing. The results of these two sub-models feed a simulation of the thermos-hydrodynamics in the substrate, responsible for the molten pool. At each step, the numerical data obtained is validated then compared with the results of experiments. This study thus offers a global model of the process, from the nozzle to the bead formation, which does not require prior experimental data, solely used to validate the possibilities and limits of the simulation.Le procédé LMD (Laser Metal Deposition) est une technique de fabrication additive dérivée du rechargement laser. Il consiste à fusionner localement la pièce à l’aide d’un faisceau laser pour pouvoir ensuite y ajouter de la matière par projection d’un jet de poudre métallique sur le bain liquide. La maîtrise du procédé dépend principalement du réglage de la puissance laser, de la vitesse d’avance et du débit massique de poudre. Toutefois, l’impact de ces paramètres sur la géométrie des dépôts réalisés reste difficile à quantifier et fait l’objet de nombreuses études. L’objectif de ces travaux est de construire un modèle numérique pouvant prédire la géométrie du cordon en partant de ces paramètres, des caractéristiques de la machine de LMD et des propriétés du matériau. La trajectoire des particules de poudre dans la buse de projection est simulée par lancer de particules pour obtenir une représentation du jet de poudre en sortie. La propagation du faisceau est également calculée par lancer de rayons, en prenant en compte l’atténuation du jet. Les résultats de ces deux sous-modèles alimentent une simulation de la thermo-hydrodynamique au niveau du substrat, responsable de la zone fondue. A chaque étape, les données numériques obtenues sont validées par comparaison avec des travaux expérimentaux. Cette étude propose ainsi un modèle global du procédé, de la buse jusqu’à la formation du cordon, ne nécessitant pas d’essais expérimentaux au préalable et dont les possibilités et les limites ont été validées par des comparaisons avec le réel