Simulation du procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques par fusion laser de poudre

Le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques est un procédé innovant qui permet de créer sans outillage, à partir d'une modélisation géométrique numérique, des pièces de géométrie complexe en quelques heures. La fabrication dite additive est réalisée par étalement successif de couches de poudre thermoplastique de quelques dizaines de micromètres, dont une partie est fondue sous rayonnement laser et refroidie lentement afin de permettre la densification de la poudre par diffusion de l'air emprisonné. La résistance mécanique finale du matériau dépend fortement de cette densification. Un grand nombre de paramètres procédé et matériau influencent les mécanismes physiques mis en jeu qui sont contrôlés par la thermique du procédé. La clé de la maîtrise de ce procédé réside dans la parfaite maîtrise de la thermique du lit de poudre. Cette étude a pour objectif de modéliser le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques haute température de type PEEK. Dans un premier temps, une simulation microscopique de la fusion laser d'un lit de poudre préchauffé et de la coalescence des grains est développée à l'aide de la méthode C-NEM implémentée sur le logiciel Matlab. Les cycles thermiques, la densification et le soudage des grains sont étudiés en fonction des paramètres matériau et procédé. Dans un second temps, l'étude de la thermique d'une couche de poudre à l'état liquide refroidie par apport d'une nouvelle couche de poudre par-dessus est menée à l'aide d'un logiciel éléments finis commercial. L'objectif est de définir les conditions d'étalement permettant au polymère fondu de rester à l'état liquide.Direct manufacturing technology using Selective Laser Sintering of thermoplastic powder allows obtaining final parts in a short time, with a high degree of geometry flexibility and evolution. Parts are built layer by layer, a specific area of each layer is melted by the laser radiation and the whole part is cooled down slowly to induce a good densification, permitting the gas diffusion through the melted material. The mechanical properties of parts made by this process highly depend on the final polymer density. A lot of process and material parameters control the parts properties. The key of the process master lies in its perfect thermal control. The aim of this work is to model the selective laser sintering process for high temperature polymers like PEEK at two scales. Firstly, a microscopic simulation of the melting and the grain coalescence of preheated polymer powder bed is performed using the C-NEM method implemented on Matlab. This tool allows to study the material thermal cycles, the powder densification and the welding quality of grains for different material and process parameters. Then, the thermal study of the additional powder layer spreading on the melted layer is performed on a commercial finite element software. This study aims to determine the good spreading conditions allowing the melted material not to decrease below its crystallization temperature to enhance material densification.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Coalescence modeling and experimental validation of sintering of thermoplastic polyamide fibers

In order to study the coalescence mechanisms of thermoplastic polymer powders, a 2D mathematical model has been established based on Frenkel, Eshelby and Pokluda’s model. Sintering experiments have been carried out by using two polyamide fibers that can be considered as infinite cylinders with its length much larger than the diameter. 2D mathematical model has been validated through comparison with results of sintering experiments as well as Constrained Natural Element Method (C-NEM) coalescence simulation. This consistence shows that the proposed coalescence model and experimental results can provide a reference for the numerical simulation of sintering process

Experimental and numerical analysis of the selective laser sintering (SLS) of PA12 and PEKK semi-crystalline polymers

A dual experimental-numerical approach was carried out to estimate thermal cycles and resulting fusion depths obtained during the selective laser sintering (SLS) of two polymers: PA12 and PEKK. The validation of thermal cycles was obtained by considering fusion depths on single layers for different experimental conditions and temperature measurements with IR thermal camera. It was shown that a simple Beer-Lambert’s heat deposit equation incorporating an extinction coefficient determined experimentally, and an efficiency ratio including both laser absorption and diffusion in the powder bed were sufficient for determining accurately fusion depths, and heat cycles for the two polymers. This allowed determining optimum process conditions for manufacturing additive layers on a specifically-designed SLS set-up.FUI Fadiplas

Simulation du procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques par fusion laser de poudre

Direct manufacturing technology using Selective Laser Sintering of thermoplastic powder allows obtaining final parts in a short time, with a high degree of geometry flexibility and evolution. Parts are built layer by layer, a specific area of each layer is melted by the laser radiation and the whole part is cooled down slowly to induce a good densification, permitting the gas diffusion through the melted material. The mechanical properties of parts made by this process highly depend on the final polymer density. A lot of process and material parameters control the parts properties. The key of the process master lies in its perfect thermal control. The aim of this work is to model the selective laser sintering process for high temperature polymers like PEEK at two scales. Firstly, a microscopic simulation of the melting and the grain coalescence of preheated polymer powder bed is performed using the C-NEM method implemented on Matlab. This tool allows to study the material thermal cycles, the powder densification and the welding quality of grains for different material and process parameters. Then, the thermal study of the additional powder layer spreading on the melted layer is performed on a commercial finite element software. This study aims to determine the good spreading conditions allowing the melted material not to decrease below its crystallization temperature to enhance material densification.Le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques est un procédé innovant qui permet de créer sans outillage, à partir d'une modélisation géométrique numérique, des pièces de géométrie complexe en quelques heures. La fabrication dite additive est réalisée par étalement successif de couches de poudre thermoplastique de quelques dizaines de micromètres, dont une partie est fondue sous rayonnement laser et refroidie lentement afin de permettre la densification de la poudre par diffusion de l'air emprisonné. La résistance mécanique finale du matériau dépend fortement de cette densification. Un grand nombre de paramètres procédé et matériau influencent les mécanismes physiques mis en jeu qui sont contrôlés par la thermique du procédé. La clé de la maîtrise de ce procédé réside dans la parfaite maîtrise de la thermique du lit de poudre. Cette étude a pour objectif de modéliser le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques haute température de type PEEK. Dans un premier temps, une simulation microscopique de la fusion laser d'un lit de poudre préchauffé et de la coalescence des grains est développée à l'aide de la méthode C-NEM implémentée sur le logiciel Matlab. Les cycles thermiques, la densification et le soudage des grains sont étudiés en fonction des paramètres matériau et procédé. Dans un second temps, l'étude de la thermique d'une couche de poudre à l'état liquide refroidie par apport d'une nouvelle couche de poudre par-dessus est menée à l'aide d'un logiciel éléments finis commercial. L'objectif est de définir les conditions d'étalement permettant au polymère fondu de rester à l'état liquide

Simulation of the selective laser sintering process on thermoplastic powder

Le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques est un procédé innovant qui permet de créer sans outillage, à partir d'une modélisation géométrique numérique, des pièces de géométrie complexe en quelques heures. La fabrication dite additive est réalisée par étalement successif de couches de poudre thermoplastique de quelques dizaines de micromètres, dont une partie est fondue sous rayonnement laser et refroidie lentement afin de permettre la densification de la poudre par diffusion de l'air emprisonné. La résistance mécanique finale du matériau dépend fortement de cette densification. Un grand nombre de paramètres procédé et matériau influencent les mécanismes physiques mis en jeu qui sont contrôlés par la thermique du procédé. La clé de la maîtrise de ce procédé réside dans la parfaite maîtrise de la thermique du lit de poudre. Cette étude a pour objectif de modéliser le procédé de fabrication directe de pièces thermoplastiques haute température de type PEEK. Dans un premier temps, une simulation microscopique de la fusion laser d'un lit de poudre préchauffé et de la coalescence des grains est développée à l'aide de la méthode C-NEM implémentée sur le logiciel Matlab. Les cycles thermiques, la densification et le soudage des grains sont étudiés en fonction des paramètres matériau et procédé. Dans un second temps, l'étude de la thermique d'une couche de poudre à l'état liquide refroidie par apport d'une nouvelle couche de poudre par-dessus est menée à l'aide d'un logiciel éléments finis commercial. L'objectif est de définir les conditions d'étalement permettant au polymère fondu de rester à l'état liquide.Direct manufacturing technology using Selective Laser Sintering of thermoplastic powder allows obtaining final parts in a short time, with a high degree of geometry flexibility and evolution. Parts are built layer by layer, a specific area of each layer is melted by the laser radiation and the whole part is cooled down slowly to induce a good densification, permitting the gas diffusion through the melted material. The mechanical properties of parts made by this process highly depend on the final polymer density. A lot of process and material parameters control the parts properties. The key of the process master lies in its perfect thermal control. The aim of this work is to model the selective laser sintering process for high temperature polymers like PEEK at two scales. Firstly, a microscopic simulation of the melting and the grain coalescence of preheated polymer powder bed is performed using the C-NEM method implemented on Matlab. This tool allows to study the material thermal cycles, the powder densification and the welding quality of grains for different material and process parameters. Then, the thermal study of the additional powder layer spreading on the melted layer is performed on a commercial finite element software. This study aims to determine the good spreading conditions allowing the melted material not to decrease below its crystallization temperature to enhance material densification

Coalescence modeling and experimental validation of sintering of thermoplastic polyamide fibers

International audienceIn order to study the coalescence mechanisms of thermoplastic polymer powders, a 2D mathematical model has been established based on Frenkel, Eshelby and Pokluda's model. Sintering experiments have been carried out by using two polyamide fibers that can be considered as infinite cylinders with its length much larger than the diameter. 2D mathematical model has been validated through comparison with results of sintering experiments as well as Constrained Natural Element Method (C-NEM) coalescence simulation. This consistence shows that the proposed coalescence model and experimental results can provide a reference for the numerical simulation of sintering process