Stratus: simulations numériques du procédé LPBF

Des simulations numériques du processus LPBF (pour Laser Powder Bed Fusion) sont effectuées avec un code à éléments finis (FEM) développé en interne par Dr. Eric Boillat. Le transfert de chaleur est décrit par l’évolution de deux champs: l’enthalpie par unité de masse et la température.

Le faisceau laser est modélisé comme une source de chaleur superficielle pour le plein et le liquide et une source de chaleur volumique pour les poudres. Le lit de poudre est considéré comme un milieu homogène avec des propriétés moyennes (dites efficaces) telles que l’absorptivité, la conductivité thermique, la profondeur de pénétration optique, la densité.

Paramètres utilisés pour la simulation
Fig. 1. Schema du procédé LPBF. P=Puissance du laser, v=vitesse du laser, ω=taille du spot laser, a=absorptivité, l=profondeur de pénétration de la lumière, k=conductivité thermique effective, ε=emissivité, κ=coefficient de convection, ρ=densité, cp=chaleur spécifique

Le maillage se compose d’un maillage grossier fixe sur l’ensemble du domaine et d’un maillage mobile fin autour du spot laser pour obtenir la précision nécessaire pour le calcul de la conduction thermique dans la poudre et à l’interface entre la poudre et le solide plein ou le liquide.

Maillages utilisés dans les simulations par éléments finis du procédé LPBF a) maillage grossier avec maillage non-conforme fin et maillage environnant uniquement pour la dissipation thermique b) coupe à travers les maillages grossier et non-conforme fin c) maillage de cristallisation dans lequel est stockée l’information de solidification et de cristallisation.

Pour une description précise du processus LPBF, un nouveau champ est introduit. Ce champ est appelé potentiel de frittage et contient les informations sur l’état du matériau pendant le procédé. Sa valeur est 0 en poudre libre; 1 correspond à un matériau plein entièrement dense.

La conductivité thermique effective k dépend du potentiel de frittage: k = k (Φ). Lors du procédé, la conductivité thermique effective d’un milieu évolue de la valeur kp d’une poudre libre à la valeur kb correspondant à un matériau plein et peut être reliée au potentiel de frittage Φ en interpolant entre kp et kb:

Résultats de simulation de température et d'absorption d'énergie du faisceau
Résultats de simulation du procédé LPBF pour le bronze et l’or rouge, dans des conditions optimales. Champ de température (A-B) respectivement dans le bronze et l’or rouge (°C), (C-D) intensité absorbée du laser respectivement pour le bronze et l’or rouge.
Simulation de l'absorption d'énergie et de la température dans le bronze
Intensité de puissance absorbée dans le lit de poudre et le bain de fusion (à gauche) et simulation de la distribution de température (à droite) dans du bronze, pendant le processus LPBF. La taille du faisceau laser (1/e2) est représentée par le cercle jaune. Un profil gaussien indique schématiquement la distribution d’intensité du faisceau correspondant à la taille du faisceau laser.
Images de simulation de fusion par laser de Ti6Al4V au moyen d’un faisceau modifié par un dispositif de mise en forme du faisceau a) côté, et b) vue de dessus, et un faisceau gaussien défocalisé, c) côté, d) vue de dessus. e) Evolution de température d’un point de la matière en conditions d’état stationaire.
Image 3D d’une simulation des vitesses de refroidissement dans du Ti6Al4V prises dans l’isotherme Ms pour a) faisceau mis en forme, b) gaussien défocalisé. Les vitesses de refroidissement derrière l’isotherme Ms, projetées sur l’axe y pour c) faisceau mis en forme, d) gaussien défocalisé.
Comparaison multi-materiaux de structures Ti6Al4V-AlSi12 avec des combinaisons poudre-poudre et poudre-feuille. (a) et (b) representent les distributions de température de la vue en section des assemblages poudre-poudre et poudre-feuille respectivement. (c) profil de distribution de température le long de la direction X situé légèrement au dessus de l’interface. (d) gradients thermiques dans la direction X, sur le même profil dans les combinaisons poudre-poudre et feuille-poudre.

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