Influence of a pulsed laser regime on surface finish induced by thedirect metal deposition process on a Ti64 alloy

tThe direct metal deposition (DMD) laser technique is a free-form metal deposition process, which allowsgenerating a prototype or small series of near net-shape structures. Despite numerous advantages, oneof the most critical issues of the technique is that produced pieces have a deleterious surface finish whichrequires post machining steps. Following recent investigations where the use of laser pulses instead of acontinuous regime was successful to obtain smoother DMD structures, this paper relates investigationson the influence of a pulsed laser regime on the surface finish induced by DMD on a widely used titaniumalloy (Ti64). Findings confirm that using high mean powers improves surface finish but also indicate aspecific effect of the laser operating mode: using a quasi-continuous pulsed mode instead of fully-cw laserheating is an efficient way for surface finish improvement. For similar average powers, the use of a pulsedmode with large duty cycles is clearly shown to provide smoothening effects. The formation of larger andstable melt pools having less pronounced lateral curvatures, and the reduction of thermal gradients andMarangoni flow in the external side of the fusion zone were assumed to be the main reasons for surfacefinish improvement. Additional results indicate that combining the benefits from a pulsed regime and auniform laser irradiation does not provide further reduction of surface roughness

Influence of various process conditions on surface finishes induced by the direct metal deposition laser technique on a Ti–6Al–4V alloy

The direct metal deposition (DMD) with laser is a free-form metal deposition process for manufacturing dense pieces, which allows generating a prototype or small series of near net-shape structures. One of the most critical issues is that produced pieces have a deleterious surface finish which systematically requires post machining steps. This problem has never been fully addressed before. The present work describes investigations on the DMD process, using an Yb-YAG disk laser, and a widely used titanium alloy (Ti–6Al–4V) to understand the influence of the main process parameters on the surface finish quality. The focus of our work was: (1) to understand the physical mechanisms responsible for deleterious surface finishes, (2) to propose different experimental solutions for improving surface finish. In order to understand the physical mechanisms responsible for deleterious surface finishes, we have carried out: (1) a precise characterization of the laser beam and the powder stream; (2) a large number of multi-layered walls using different process parameters (P(W), V(m/min), Dm (g/min), Gaussian or uniform beam distribution); (3) a real time fast camera analysis of melt pool dynamics and melt-pool – powder stream coupling; (4) a characterization of wall morphologies versus process parameters using 2D and 3D profilometry. The results confirm that surface degradation depends on two distinct aspects: the sticking of nonmelted or partially melted particles on the free surfaces, and the formation of menisci with more or less pronounced curvature radii. Among other aspects, a reduction of layer thickness and an increase of melt-pool volumes to favor re-melting processes are shown to have a beneficial effect on roughness parameters. Last, a simple analytical model was proposed to correlate melt-pool geometries to resulting surface finishes

A reduced order model to assist welding parameter setup

This article demonstrates the time saving in industrial process setup using numerical reduced order modelling (ROM). The numerical simulations may supply useful information to design manufacturing processes but are often time consuming and then not suited with multi-query study such as inverse problem. ROM aims at replacing the original simulation (so-called high-fidelity (HF)) by a low rank model that will run fast according to the HF simulation time. Multi-query studies will use the ROM instead of the HF simulation to save time and deliver a solution consistent with industrial timeline. To validate the solution, the HF simulation will be used. In this paper, a problem of calibration of TIG welding parameter will illustrate this approach

Modélisation multiphysique du procédé de Fabrication Rapide par Projection Laser en vue d'améliorer l'état de surface final

Direct Manufacturing Laser Deposition is an innovative process that allows the manufacturing of fully densified parts with complex geometries. However, the development of this manufacturing technique is still limited, in particular due to the irregular surfaces. The purpose of this work is to better understand the complex mechanisms responsible for the delaterious surface based on numerical simulation results performed with the COMSOL Multiphysics® software. A first task was to validate the physical model and thermophysical properties. Thermohydraulic model with free surface include the surface tension effects and the deformation of the geometry is treated with a moving mesh based on ALE method. This predictive model has been transposed to the DMLD process incorporating the material addition. 2D modelling are performed to analyze the effect of process parameters on the shape of the melt pool, before modelling multilayer deposition and showing the surface irregularities. The study is later extended to a 3D case. The self-consistency of the model can predict the shape of deposits only from the operating parameters. In this approach, the substrate and the liquid bath are decoupled from the gaseous environment. The powder stream is treated separately with a 3D model calculating the trajectory of the particles. The prediction of different numerical models is validated through several experimental data.La Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) est un procédé novateur qui permet la réalisation de pièces de géométrie complexe à partir d'un jet de poudre. Les pièces sont obtenues en superposant différentes couches de matière à l'aide d'une buse coaxiale avec un faisceau laser. Cette technique de fabrication, très rapide, reste cependant peu répandue, en particulier du fait de l'irrégularité des surfaces. L'objet de ce travail est de développer des modèles numériques capables de prédire le paramètre d'ondulations caractérisant l'état de surface à partir uniquement des paramètres opératoires et des propriétés thermophysiques du substrat et de la poudre, dans le but de mieux comprendre les mécanismes responsables de l'état de surface dégradé. Une première étude a porté sur la fusion locale d'un barreau vertical sous l'action d'un laser afin de valider la mise en données du modèle numérique. Ce modèle thermohydraulique inclut les effets de tension superficielle et utilise la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) pour suivre la déformation de la surface libre. Ce modèle prédictif a été transposé au procédé FDPL en intégrant l'apport de matière dû au jet de poudre. Les caractéristiques de ce jet de poudre sont obtenues grâce à un modèle 3D prédisant la trajectoire des particules et leur échauffement sous l'action du faisceau laser. Ces données servent à définir les conditions aux limites de modèles 2D thermohydrauliques du bain fondu. Nous avons ainsi retrouvé, pour un substrat mince, la corrélation établie expérimentalement entre l'amplitude des ondulations et le taux de dilution. Il a été montré que, dans le cas de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, un meilleur état de surface est obtenu pour une forte puissance laser, une vitesse de défilement élevée et un faible débit massique. La simulation 2D de dépôts multicouches a permis d'étudier l'influence de la stratégie de balayage et du temps de pause entre couches. Une étude de sensibilité a également été menée afin d'analyser le rôle de paramètres tels que le coefficient thermocapillaire ou la viscosité. L'étude a par la suite été étendue à un cas 3D pour étudier l'effet de la distribution énergétique du faisceau laser ainsi que les propriétés thermophysiques. La prédiction des différents modèles numériques développés à l'aide du code de calcul COMSOL Multiphysics® est validée grâce à des données expérimentales

Modélisation multiphysique du procédé de Fabrication Rapide par Projection Laser en vue d'améliorer l'état de surface final

Direct Manufacturing Laser Deposition is an innovative process that allows the manufacturing of fully densified parts with complex geometries. However, the development of this manufacturing technique is still limited, in particular due to the irregular surfaces. The purpose of this work is to better understand the complex mechanisms responsible for the delaterious surface based on numerical simulation results performed with the COMSOL Multiphysics® software. A first task was to validate the physical model and thermophysical properties. Thermohydraulic model with free surface include the surface tension effects and the deformation of the geometry is treated with a moving mesh based on ALE method. This predictive model has been transposed to the DMLD process incorporating the material addition. 2D modelling are performed to analyze the effect of process parameters on the shape of the melt pool, before modelling multilayer deposition and showing the surface irregularities. The study is later extended to a 3D case. The self-consistency of the model can predict the shape of deposits only from the operating parameters. In this approach, the substrate and the liquid bath are decoupled from the gaseous environment. The powder stream is treated separately with a 3D model calculating the trajectory of the particles. The prediction of different numerical models is validated through several experimental data.La Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) est un procédé novateur qui permet la réalisation de pièces de géométrie complexe à partir d'un jet de poudre. Les pièces sont obtenues en superposant différentes couches de matière à l'aide d'une buse coaxiale avec un faisceau laser. Cette technique de fabrication, très rapide, reste cependant peu répandue, en particulier du fait de l'irrégularité des surfaces. L'objet de ce travail est de développer des modèles numériques capables de prédire le paramètre d'ondulations caractérisant l'état de surface à partir uniquement des paramètres opératoires et des propriétés thermophysiques du substrat et de la poudre, dans le but de mieux comprendre les mécanismes responsables de l'état de surface dégradé. Une première étude a porté sur la fusion locale d'un barreau vertical sous l'action d'un laser afin de valider la mise en données du modèle numérique. Ce modèle thermohydraulique inclut les effets de tension superficielle et utilise la méthode ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) pour suivre la déformation de la surface libre. Ce modèle prédictif a été transposé au procédé FDPL en intégrant l'apport de matière dû au jet de poudre. Les caractéristiques de ce jet de poudre sont obtenues grâce à un modèle 3D prédisant la trajectoire des particules et leur échauffement sous l'action du faisceau laser. Ces données servent à définir les conditions aux limites de modèles 2D thermohydrauliques du bain fondu. Nous avons ainsi retrouvé, pour un substrat mince, la corrélation établie expérimentalement entre l'amplitude des ondulations et le taux de dilution. Il a été montré que, dans le cas de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, un meilleur état de surface est obtenu pour une forte puissance laser, une vitesse de défilement élevée et un faible débit massique. La simulation 2D de dépôts multicouches a permis d'étudier l'influence de la stratégie de balayage et du temps de pause entre couches. Une étude de sensibilité a également été menée afin d'analyser le rôle de paramètres tels que le coefficient thermocapillaire ou la viscosité. L'étude a par la suite été étendue à un cas 3D pour étudier l'effet de la distribution énergétique du faisceau laser ainsi que les propriétés thermophysiques. La prédiction des différents modèles numériques développés à l'aide du code de calcul COMSOL Multiphysics® est validée grâce à des données expérimentales

Amélioration de l'état de surface de pièces obtenues en fabrication directe par projection laser à l'aide d'un modèle numérique thermohydraulique 2D

La Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL) est un procédé novateur issu du prototypage rapide et du rechargement laser. Cette technologie permet de fabriquer des pièces 3D pleinement densifiées par injection de poudre métallique dans un bain de métal en fusion obtenu au moyen d'une source laser mobile. La géométrie finale est obtenue par superposition des couches. Une des limites actuelles de ce procédé est l'état de surface finale, jugé insuffisant par rapport aux procédés classiques d'usinage et de moulage. Ce travail s'appuie sur la modélisation numérique pour, d'une part, mettre en évidence le lien entre les paramétres opératoires et l'état de surface final, et d'autre part, apporter une solution en vue d'améliorer la qualité des pièces obtenues en FDPL. Les équations de conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement et de la masse sont résolues dans un repère 2D transverse.La présence de la surface libre et l'apport de matière lié au jet de poudre sont gérés à l'aide d'un maillage mobile (utilisant la méthode ALE) pour prendre en compte la déformation de l'interface. Ce modèle permet ainsi de prédire les ondulations périodiques induites par la superposition des couches. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales obtenues par caméra rapide et par profilométrie. Une étude paramétrée est menée pour montrer comment améliorer l'état de surface en fonction de la puissance laser, de la vitesse d'avance et du débit de matière. L'étude est réalisée avec un alliage de titane Ti-6A1-4V, largement utilisé dans les domaines aéronautique et biomédicale

2D longitudinal modeling of heat transfer and fluid flow during multilayered

version post-print de l'article : JLA Vol : 24 Iss:3. 2D longitudinal modeling of heat transfer and fluid flow during multilayered direct laser metal deposition processDerived from laser cladding, the Direct Laser Metal Deposition (DLMD) process is based upon a laser beam – powder – melt pool interaction, and enables the manufacturing of complex 3D shapes much faster than conventional processes. However, the surface finish remains critical, and DLMD parts usually necessitate post-machining steps. Within this context, the focus of our work is to improve the understanding of the phenomena responsible for deleterious surface finish by using numerical simulation. Mass, momentum, and energy conservation equations are solved using COMSOL Multiphysics® in a 2D transient model including filler material with surface tension and thermocapillary effects at the free surface. The dynamic shape of the molten zone is explicitly described by a moving mesh based on an Arbitrary Lagrangian Eulerian method (ALE). This model is used to analyze the influence of the process parameters, such as laser power, scanning speed, and powder feed rate, on the melt pool behavior. The simulations of a single layer and multilayer claddings are presented. The numerical results are compared with experimental data, in terms of layer height, melt pool length, and depth of penetration, obtained from high speed camera. The experiments are carried out on a widely-used aeronautical alloy (Ti-6Al-4V) using a Nd:YAG laser. The results show that the dilution ratio increases with increasing the laser power and the scanning velocity, or with decreasing the powder feed rate. The final surface finish is then improved

Modélisation multiphysique du procédé de Fabrication Directe par Projection Laser en vue d'améliorer l'état de surface final

LORIENT-BU (561212106) / SudocSudocFranceF

Etude thermique des bains liquides et son effet sur l’état de surface des pièces fabriquées par le procédé de Fabrication Directe par Projection Laser (FDPL)

La fabrication directe par projection laser (FDPL) est un procédé de prototypage rapide et de fabrication des petites séries de pièces complexes, par simple interaction entre un faisceau laser, un substrat, et une poudre projetée. Ce procédé a été largement étudié ces dernières années, à la fois au niveau des propriétés métallurgiques et mécaniques des matériaux obtenus [1], que de la modélisation thermophysique du procédé [2, 3]. L’un des problèmes récurrents du procédé est la mauvaise qualité des états de surface des pièces élaborées [4], qui est directement liée à la taille, la morphologie et l’hydrodynamique des zones fondues. L’objectif de cette étude est de présenter la caractérisation expérimentale des zones fondues générées en FDPL à travers des analyses par caméra rapide, et par différents types d’analyses thermiques (caméra IR, spectrométrie), en considérant un alliage de titane : le Ti-6Al-4V. L’évolution des propriétés des zones fondues avec les paramètres du procédé (distribution spatiale de puissance laser, vitesse de scanning, débit massique) est ensuite discutée dans le détail, et corrélée aux états de surface résultants, afin de proposer des voies d’amélioration du procédé