Design for additive manufacturing methodology, applied to the laser cladding process
Méthodologie de conception pour la fabrication additive, application à la projection de poudres
Résumé
Manufacturers are constantly encountering tough international competition. In order to stay competitive they have to developed new products with time and cost constraints always more significant. In this context, as a "tool-less‟ and digital approach to manufacture, additive manufacturing presents companies with a wide and expanding range of technical and economic benefits. However, the additive manufacturing processes, as the others, have also their own characteristics and limits. Finally, to take advantages of the technological breakthrough which is additive manufacturing, a new way of designing products is needed. This work deals with the development of a new methodology of design for additive manufacturing. Subdivided in four main steps, the proposed method allows from functional specifications and manufacturing process characteristics to define an optimized part geometry regarding both the functional objectives and the manufacturing constraints. In the first step, manufacturing orientations are chosen from the functional entities and allow to propose a design area. The general topology of the part is then optimized in this area regarding the functional specifications and the global manufacturing constraints. In the third step, the accurate part geometry is generated from a choice of manufacturing trajectories and thanks to the manufacturing process simulation. The fourth and last step are to determine and compare each other the different geometries corresponding to all the possible choices of manufacturing strategy. At the end, the best suitable is selected. The proposed method structure is generic and can be applied to all the additive manufacturing processes. However, the physical phenomena involved during the manufacturing processes are different for each one; the manufacturing constraints can be thus also different. This work deals more specifically with the laser cladding technology. Indeed, a physical model of this process has been proposed. It allows estimating and optimizing the manufacturing strategies regarding the functional needs and the manufacturing constraints. This model has been particularly used in the optimization method of manufacturing paths which has also been developed in this work to manufacture thin wall metal parts.
Dans le contexte d'un marché saturé et d'une forte concurrence internationale, les industriels doivent proposer des produits manufacturés innovants, de qualité et respectant des contraintes de coûts et de délais de plus en plus exigeantes. La fabrication additive permet aujourd'hui l'obtention de pièces fonctionnelles, elle apparaît, dès lors, comme l'un des moyens de mise en œuvre d'une production personnalisée répondant aux problématiques actuelles. Ne nécessitant pas d'outillage dédié ni de brut de matière, les procédés additifs apportent de nouvelles perspectives quant au triptyque Produit-Process-Matériau. D'un autre côté, comme tous les autres procédés, ils ont leurs propres spécificités et contraintes liées aux phénomènes physiques mis en jeu au cours du processus de fabrication. Tirer profit de la rupture technologique que représente la fabrication additive implique donc de concevoir les produits autrement. Ce travail de thèse consiste en l'élaboration d'une méthodologie de conception orientée fabrication additive. Organisée en quatre étapes, la méthode permet, à partir du cahier des charges fonctionnel et des caractéristiques du procédé de fabrication utilisé, de définir une géométrie de pièce optimisée, à la fois, vis-à-vis des objectifs fonctionnels et des contraintes de fabricabilité. Un domaine de conception est, dans un premier temps, établi à partir des entités fonctionnelles et d'un choix d'orientations de fabrication. La topologie générale du produit y est alors optimisée vis à vis des critères globaux issus des spécifications fonctionnelles et des règles métier globales. La géométrie locale est ensuite définie à partir d'un choix de trajectoires de fabrication et de la simulation du processus de fabrication. Enfin, chaque choix lié à la stratégie de fabrication débouchant sur une géométrie de pièce différente, la dernière étape consiste à identifier celle répondant le mieux aux spécifications attendues. La méthodologie a l'avantage d'être générique dans sa structure et peut être utilisée pour les différents procédés employés pour la fabrication directe. Les contraintes de fabrications sont cependant spécifiques à chaque procédé car liés aux phénomènes physiques mis en jeu au cours des processus de fabrication. Dans le cadre de nos travaux de thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés à la technologie de fabrication par projection de poudres. Ainsi, un modèle du processus de fabrication a été mis en place. Il permet d'évaluer et d'optimiser les stratégies de fabrication vis-à-vis des besoins fonctionnels, en permettant de prédire la géométrie finale des pièces, et des contraintes procédés en permettant de prédire les variations de paramètres de fabrication. Ce modèle a été particulièrement mis à profit au cours de nos travaux pour alimenter la méthode d'optimisation de trajectoires, par ailleurs proposée, pour la fabrication de pièces à parois minces.
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