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Analyse de sensibilité des paramètres susceptibles d'influencer l'état de surface des pièces obtenues par fabrication additive pour des applications aéronautiques


par Pierre Gérard Darel KOND NGUE
Université Yaoundé 1  - Master physique  2022
  

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Université de Yaoundé I University of Yaoundé I

DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
LABORATOIRE DE SCIENCE DES MATÉRIAUX

THÈME :

L'ANALYSE DE SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES
SUSCEPTIBLES D'INFLUENCER L'ÉTAT DE
SURFACE DES PIÈCES OBTENUES EN
FABRICATION ADDITIVE POUR DES
APPLICATIONS AÉRONAUTIQUES

Mémoire réalisé en partenariat international présenté et soutenu en vue de
l'obtention du Master of Science en Physiques

Spécialité : Sciences Matériaux

Par :
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
Matricule : 15S2382
Licencié en Physique

Co-Encadreur : Encadreur :

Pr YETNA N'JOCK Michel Pr NDJAKA Jean-Marie Bienvenu

Institut Polytechnique des Sciences Avancées de Paris Université de Yaoundé I

Année 2021

KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL (c)2021

DÉDICACE

DÉDICACE

À mes parents :

Monsieur NGUEKOND Fridolin Félix

Médard et Madame NGUE Chantal ;

Monsieur BENGA Severin et Madame

BENGA Marie De-liz

À mes frères et soeurs...

À mes deux nièces préférées : Gabriella et

Perline

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KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL (c)2021

REMERCIEMENTS

REMERCIEMENTS

Celui qui lira cette page risquera de croire que celle-ci a été écrite en premier, ce qui n'est évidemment pas le cas car, dit-on souvent, le meilleur se garde pour la fin. Il est difficile pour moi d'exprimer par écrit la reconnaissance et la gratitude qui reviennent aux personnes m'ayant aidé, encouragé et soutenu pendant cette période chevaleresque de ma vie. J'espère que vous tous et toutes sentirez la sincérité rattachée à mes remerciements. Je tiens alors à rappeler que, si ce qui suivra a été écrit avec la tête, cette page elle est écrite avec le coeur.

Tout d'abord, je tiens à exprimer ici toute ma reconnaissance à Dieu de qui sont venus tous les moyens nécessaires pour l'aboutissement d'un tel travail, mes mots ne suffiront pas pour Lui exprimer ma gratitude.

J'exprime mes vifs remerciements au Professeurs NDJAKA Jean Marie Bienvenu et YETNA Michel, mes directeurs de mémoire qui ont accepté de m'encadrer tout au long de ce travail. Merci de m'avoir fait confiance, en respectant mes choix. Non seulement vous m'avez imprégné des bases de la méthode et de la rigueur scientifique, mais aussi vous m'avez appris des valeurs humaines et d'intégrité. Trouvez ici toute ma reconnaissance et ma gratitude.

Un merci particulier au Professeur YETNA Michel. Merci pour sa disponibilité, ses conseils et sa promptitude à répondre à mes différentes questions. Malgré la distance et vos multiples occupations, vous avez toujours trouvé du temps pour me tenir la main.

Je remercie particulièrement tous les enseignants qui, malgré leurs multiples occupations, ont accepté de participer à mon jury de soutenance.

J'ai naturellement une pensée forte pout tous mes enseignants du Département de Physique de la Faculté des Sciences de l'Université de Yaoundé I, sans qui je ne serais pas arrivé à ce niveau. Un merci particulier aux enseignants du laboratoire Sciences des Matériaux : Professeur NDJAKA Jean Marie Bienvenu, Professeur ZEKENG Serge, Professeur NDOP Joseph, Professeur Annie WAKATA, Dr TCHOFO Fidèle, Dr FEUDJIO David, Dr EDONGUE Hervais, Dr OTTOU ABE Matin Thierry, Dr ETINDELE Anne Justine, Dr TEYOU NGOUPO Ariel.

Sans le soutien inconditionnel de ma famille, il m'aurait été impossible de rédiger ce mémoire et surtout, de poursuivre mes études jusque-là.

Je tiens à remercier ici mes parents : Monsieur NGUEKOND Fridolin et Madame NGUE Chantal née NGO NEMI, Monsieur BENGA Severin et Madame BENGA Marie De-liz née NGO KOMOL, Monsieur BILLONG Job Salomon et Madame BILLONG Clotilde, Maman

II

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REMERCIEMENTS

Micheline NGO KOMOL, le couple MOUKOURI merci d'avoir toujours été là pour moi, puisse ce travail vous honorer. Sachez que pour chaque goutte de sueur que j'ai versée pour ce travail, vous en avez versé cent pour me soutenir.

Un merci spécial à mes soeurs KOMOL Angeline, NGO KOMOL Orly, NGO KOMOL Micheline Perrette, OUM Kutcher, BENGA Ghislaine, BENGA Tatiana, à mes frères KOMOL NGUE KOND Emmanuel, KOMOL AMOS Stéphane, HOS MBOUI Otto Claude, KOND BILLONG DONALD pour m'avoir soutenu tout ce temps et surtout d'avoir toujours supporté toutes mes intrigues.

Mention spéciale à toi DOUNGUIA Carelle Épse KOMOL pour tes conseils et ta promptitude à toujours vouloir me venir en aide.

J'ai une pensée particulière pour vous qui n'aviez jamais cessé de me soutenir tant spirituellement que moralement. C'est aussi en pensant à vous que je suis allé au bout de mes efforts. Vous êtes : NGUEKOND Fridolin, NGO NEMI Chantal, NGO KOMOL Marie De-liz, KOMOL Angeline, KOMOL Micheline, Simon MANGUELE (et tout le peuple de la MISCREV de Ngousso), DOUNGUIA Carelle.

Je serais impardonnable si je manquais d'adresser ici mes sincères remerciement à mes camarades de promo ANEFO Patricia, ASSANGA Lopez, BISSI Ferdinand, BOMBA Richard, KAMGA Arauld, KAMGANG Aubin, KOWA Ibrahim, MOULIOM PAGNA, NDANG Kevin, NGOUME NDEMA Cédric, NOUDJI Vincent, NZEBENG Dilane, OSSE Benjamin, OWONO MEBA Djames, Samuel TAGUIEKE, SOP Leonel, TAMOKOUE Linda, TANKEU YANKAM, YONTA Julio et ZEBAZE Ginette. J'y suis parvenu grâce à l'ambiance conviviale qu'on a toujours su entretenir.

Au couple ABESSOLO, ESSAMA Aurélien, ainsi qu'à tous les membres du Club Physique de l'Université de Yaoundé I, votre indéfectible amitié et la grande complicité qui anime notre relation ont été pour moi un atout. Merci encore d'être là pour moi.

À toi Euphraisie, ton soutien et tes encouragements ont été pour moi un véritable pilier. Grand merci à toi.

Je tiens également à remercier toute la communauté d'Otaku du groupe Otaku RPG Univers et en particulier à son administrateur Guilaine dite « Tsunade ».

À tous ceux qui de près ou de loin ont contribué d'une manière ou d'une autre à l'aboutissement de ce travail, ainsi qu'à tous ceux qui estiment que leur nom devrait figurer ici.

III

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TABLE DES MATIÈRES

TABLE DES MATIÈRES

DÉDICACE I

REMERCIEMENTS II

TABLE DES MATIÈRES IV

LISTE DES TABLEAUX VII

LISTE DES FIGURES XI

LISTE DES ABRÉVIATIONS XIV

RESUME XII

ABSTRACT 1

INTRODUCTION GÉNÉRALE 2

CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE 4

1.1. Introduction 4

1.2 Généralités Sur La Fabrication Additive 5

1.2.1 Principe De La Fabrication Additive 5

1.2.2 Contexte Actuel 6

1.2.3 Avantages 7

1.2.4 Les Limites 8

1.2.5 Comparaison Par Rapport Aux Méthodes Soustractive Et Formative 10

1.2.6 Applications De La Fabrication Additive 15

1.3 Les Technologies De La Fabrication Additive 18

1.3.1 La Photopolymérisation En Cuve 19

1.3.2 Projection De Matière 21

1.3.3 Extrusion De Matière 22

1.3.4 Stratification De Couches 22

1.3.5 Projection De Liant 23

1.3.6 Fusion Sur Lit De Poudre 25

IV

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TABLE DES MATIÈRES

1.3.7 Dépôt De Matière Sous Énergie Concentrée 26

1.3.8 Comparaison Entre Les Différentes Technologies 27

1.4 Fusion Sur Lit De Poudre : Procédé SLM (Selective Laser Melting) 28

1.4.1 Principe Et Description 28

1.4.2 Paramètres Du Procédé SLM 30

1.4.3 Simulation Et Modélisation Du Procédé SLM 31

1.4.3.1. Généralités 31

1.4.3.2. Rôles De La Simulation 32

1.4.3.3. La Modélisation Multi-Échelle (Micro, Méso, Macro) 32

1.4.3.4 Modélisation Numérique Du Procédé SLM 34

1.5 Conclusion 35

CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET MODÈLE NUMÉRIQUE 37

2.1 Introduction 37

2. 2 Configuration Expérimentale 37

2. 2. 1 Préparation Des Échantillons 37

2. 2. 2 Mesures In Situ De La Température Du Bain De Fusion 39

2. 3 Configuration Numérique 40

2. 3. 1 Modèle Phénoménologique 40

2. 3. 2 Modèle Numérique 43

2.4 Conclusion 47

CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS 48

3.1 Investigations Des Résultats Expérimentaux Et Numériques 48

3.1.1 Effet des paramètres procédés sur la morphologie de surface du cordon 48

3.1.2 Effet de la Densité d'Énergie Volumique sur le régime de fusion 50

3.1.3 Seuil des régimes de fusion 53

3.1.4 Simulation numérique du bain de fusion 56

3.2 Étude De Sensibilité 60

3.2.1 Introduction 60

V

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TABLE DES MATIÈRES

3.2.2 Étude De Sensibilité Du Module Melting 60

3.3 Conclusion 65

CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES 66

RÉFÉRENCES 70

VI

MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES MATÉRIAUX

LISTE DES TABLEAUX

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1-1: liste des procédés de la fabrication soustractive 10

Tableau 1-2: liste des éléments comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication

soustractive 12

Tableau 1-3: liste des procédés de la fabrication formative 13

Tableau 1-4: éléments comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication formative

14
Tableau 1-5: Liste des procédés de Fabrication Additive de la norme NF ISO 17296-2 [39].

19

Tableau 1-6 : Comparaison des différents procédés 28

Tableau 2-1: Conception de l'expérience (DOE) pour les pistes à balayage unique 38

Tableau 2-2: Propriétés thermo-physiques utilisées pour les simulations 46

Tableau 3-1: Données d'entrée considérée comme valeur de référence 61

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VII

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LISTE DES FIGURES

LISTE DES FIGURES

Figure 1-1: Principe de la fabrication additive en 5 étapes, d'après P. Muller 6

Figure 1-2 : (a)* Évolution de la part (en million d'euro) du marché mondial de l'impression

3D (b)* Répartition des projets par type d'application (Rapport PIPAME, 2017). 7
Figure 1-3 : Éléments aérospatiaux fabriqués par la technologie FA : (a) Pale de turbine, et

(b) Pale intégrée [32]. 16
Figure 1-4 : Éléments automobiles fabriqués par la technologie FA : (a) Boîtier de pompe à huile produit par fusion par faisceau d'électrons (EBM), (b) boite de vitesse d'une voiture de

course produite par EBM, et (c) collecteur d'échappement produit par SLM [31] 16
Figure 1-5 : Pièces biomédicales fabriquées par les technologies FA : (a) Prothèse dentaire construite à l'aide de SLM, (b) Tiges de hanche fabriquées à l'aide de EBM, et (c) Pont

dentaire à 3 éléments produit à l'aide de SLM [31]. 17
Figure I-6 : Un circuit opérationnel construit par la méthode de dépôt par fusion (FDM)

[35]. 17

Figure I-7 : Produits artistiques construits par les technologies FA [37] 18

Figure 1-8 : Principaux domaines d'application de la fabrication additive de pièces [38] 18

Figure 1-9 : Schéma de fonctionnement de la photopolymérisation en cuve [42] 20

Figure 1-10 : exemple de réalisation de pièces par polymérisation laser, source ressource «

Moulage à cire perdue : du modèle à la pièce » [44] 20

Figure I-11 : Schéma de fonctionnement de la projection de matière [42]. 21

Figure 1-12 : Exemples de réalisation de pièces par projection de gouttes [47]. 21

Figure 1-13 : Schéma de fonctionnement du dépôt de fusion au travers d'une buse

chauffante (Extrusion de Matière) [42]. 22
Figure 1-14 : Exemples de réalisation par fusion au travers d'une buse chauffante [50]. . 22

XI

MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES MATÉRIAUX

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LISTE DES FIGURES

Figure 1-15 : Schéma de fonctionnement de l'assemblage de couches (Stratification De

Couches) [42]. 23

Figure 1-16 : Exemple de réalisation par stratification de couches [47]. 23

Figure 1-17: Schéma de fonctionnement de la projection de liant sur un substrat de poudre

[42]. 24

Figure 1-18 : Exemple de réalisation de pièce par projection de liant [50]. 24

Figure 1-19 : Principe de fusion sur lit de poudre [42]. 25

Figure 1-20 : Exemples de réalisation de pièces par fusion sur lit de poudre [51]. 26

Figure I-21 : Schéma du principe de dépôt de matière sous énergie concentrée [42]. 26

Figure 1-22 : exemple de réalisation par le procédé de dépôt de matière sous énergie

concentrée [47]. 27
Figure 1-23 : Schéma du procédé de Fusion Sélective Par Laser (SLM), d'après Popular 3D

Printers 29

Figure 1-24 : Structure de soutien couramment utilisées [49]. 30

Figure 1-25 : Paramètres du procédé SLM, d'après L. Van Belle [60]. 31

Figure 2-1: Vue schématique du processus de fusion laser sur lit de poudre équipé d'un

système de caméra infrarouge haute vitesse [72] 37
Figure 2-2 : Caractéristiques morphologiques intrinsèques d'une trace de fusion mesurables

[72]. 39

Figure 2-3 : Vue d'ensemble schématique de la configuration numérique 44

Figure 2-4 : Reference de l'épandage sur lit de poudre. 45

Figure 3-1: Topologie de surface des cordons obtenus sur un substrat en Ti6Al4V 49

Figure 3-2: Micrographie de cordons déposés avec la DEV (21 J/mm3) pour différentes

valeurs de puissance et de vitesse de balayage. 50

XII

MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES MATÉRIAUX

KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL (c)2021

LISTE DES FIGURES

Figure 3-3: Coupes transversales du bain de fusion sous différentes puissances et vitesses de

balayage pour (a) le substrat et (b) le cas du lit de poudre. 52
Figure 3-4: Variation des dimensions du bain en fonction de la densité d'énergie volumique

(DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b) substrat avec poudre du même matériau 54
Figure 3-5: Variation de l'aspect rapport profondeur/largeur du bain en fonction de la densité d'énergie volumique (DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b) substrat avec

poudre du même matériau. 55
Figure 3-6: Prédiction de la forme d'un simple cordon obtenu à partir des paramètres

d'impression S16 et T16 56
Figure 3-7: Section transversale prédite d'une piste unique et résultats numériques (ligne noire) comparés aux observations expérimentales pour (a) le substrat S16 et (b) le lit de

poudre T16. 57
Figure 3-8: Profondeur et largeur du bain de fusion mesurées et prédites sous différentes

puissances de faisceau laser et vitesses de balayage pour le cas du substrat. 58
Figure 3-9: Coefficient d'absorption en fonction de la température pour l'alliage Ti6Al4V

étudié. 59
Figure 3-10: Comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux après calibration

du coefficient d'absorption pour la piste S16. 59
Figure 3-11: Cas P = 200 W, V = 1000 mm/s - interface métal / gaz - contours de température

(K) 62

Figure 3-12: Indice de sensibilité sur la profondeur du bain de fusion 62

Figure 3-13: Indice de sensibilité de la largeur du bain de fusion. 63

Figure 3-14: Analyse de sensibilité des réponses du modèle. 64

XIII

MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES MATÉRIAUX

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LISTE DES ABRÉVIATIONS

LISTE DES ABRÉVIATIONS

> ABS : Acrylonitrile Butadiène Styrène

> ALE: Arbitrary Lagrangien Euleran

> AM: Additive Manufacturing

> ASTM: American Society for Testing and Materials

> AZ : Zone Apparente

> CAD : Computer Aided Design

> CAM : Content-Adresable Memory

> CAO : Conception Assistée par Ordinateur

> CFD : Computational Fluids Dynamics (Dynamique des Fluides Computationnelle)

> CNC: Computer Numerical Control

> DED: Directed Energy Deposition

> DEM : Discret Element Method (Méthode des Eléments Discrets)

> DMLS : Direct-Metal Laser Sintering > DEV : Densité d'Energie Volumique

> DOE : Conception Factorielle de l'Expérience

> EBM: Electron Bram Melting

> FA: Fabrication Additive (Additive Manufacturing)

> FAO : Fabrication Assistée par Ordinateur

> FVM : Méthode des Volumes Finis

> ISO: International Organization for Standardization

> LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

> Nd:YAG: Neodymium - Doped Yttrium Aluminium Garnet

> RFID: Dispositif d'Identification par Radiofréquence

> RZ: Zone Refondue

> SLA: Stéréolithographie

> SLM: Selective Layer Melting

> SLS: Selective Layer Sintering

> UV: Ultra-Violet

> ZAT: Zone Affectée Thermiquement

XIV

MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES MATÉRIAUX

RESUME

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"Ceux qui vivent sont ceux qui luttent"   Victor Hugo