Simulations numériques du procédé LPBF ‒ LMTM ‐ EPFL

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, w=taille du spot laser, a=absorptivité, l=profondeur de énétration de la lumière, k=conductivité thermique effective, e=emissivité, k =coefficient de convection, r=densité, c_p=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.

Maillage utilisé pour simuler le procédé LPBF — Maillage utilisé dans les simulations par éléments finis du procédé LPBF. Cinq zones sont visibles à l’intérieur du maillage mobile (la zone indiquée par la bordure verte), qui suit le balayage laser lors des simulations.

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 k_p d’une poudre libre à la valeur k_b correspondant à un matériau plein et peut être reliée au potentiel de frittage Φ en interpolant entre k_p et k_b:

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.

Publications liées

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