Cet article a été rédigé par Y.S. Lee [1,2] et W. Zhang [1]
[1] Welding Engineering Program, Department of Materials Science and Engineering, The Ohio State University, Columbus, OH
[2] Actuellement, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN
Modélisation du transfert de chaleur et de l’écoulement des fluides
La fabrication additive de la fusion laser-lit de poudre (L-PBF) implique des processus physiques complexes. En particulier, l’énergie absorbée par le faisceau laser fait fondre les particules et forme un bain de fusion où un fort écoulement de fluide se produit principalement entraîné par le gradient de tension superficielle (ou contrainte de cisaillement de Marangoni). Le transfert de chaleur et l’écoulement du fluide sont fortement influencés par la disposition locale des particules de poudre dans le lit de poudre qui peut varier d’un endroit à l’autre. En raison de l’écoulement très transitoire du fluide, la forme de la surface de la piscine de fusion (une surface libre) évolue constamment, affectant la qualité finale de la surface.
Méthode de modélisation numérique
Pour comprendre quantitativement l’effet des caractéristiques de compactage de la poudre, des paramètres du procédé et de la dynamique du bain de fusion sur la qualité de la surface, la présente étude utilise deux modèles en séquence. Le premier modèle est un modèle de remplissage de particules de poudre développé à partir de Yade, un code de méthode d’éléments discrets (DEM) open source. Il fournit l’information sur l’empilement des particules (p. ex. l’emplacement et le rayon des particules individuelles). Ces informations sont ensuite introduites dans le second modèle, un modèle 3D de bain de fusion transitoire basé sur FLOW-3D. Les détails des deux modèles sont disponibles dans la littérature[1]. Les principales caractéristiques du modèle de bain de fusion basé sur FLOW-3D sont résumées ci-dessous.
La simulation d’écoulement transitoire de fluide est réalisée dans un domaine de calcul 3D avec des dimensions de 1000 μm (longueur), 270 μm (largeur) et 190 μm (hauteur), comme le montre la figure 1. Le domaine se compose d’une couche de particules de poudre d’une épaisseur de 50-μm sur un substrat d’une épaisseur de 90-μm. Le reste du domaine est d’abord rempli de vide. La géométrie de la couche de poudre est initialisée à l’aide des résultats de la simulation DEM. Pour maximiser la résolution spatiale tout en réduisant le nombre total de cellules, un maillage distordu est utilisé lorsque la taille du maillage diminue continuellement de 9 μm à 3 μm dans le substrat vers l’interface substrat/couche poudre. Le maillage est maintenu constant 3 μm dans la couche de poudre et le vide au-dessus. Le nombre total de cellules est de 1,43 million.
Pour les conditions limites, un flux de chaleur prescrit basé sur la distribution gaussienne est imposé sur la surface supérieure de la couche de poudre pour représenter l’apport de chaleur du laser qui se déplace selon la direction X. La tension superficielle dépendante de la température est incluse en utilisant le modèle de tension superficielle optimisé disponible dans FLOW-3D. Pour les autres propriétés thermo-physiques, on utilise les données de l’alliage IN718 disponibles dans la base de données FLOW-3D.
La simulation transitoire d’un L-PBF d’une durée d’environ 600 microsecondes prend environ 40 heures pour se terminer dans un poste de travail modérément puissant équipé d’un processeur Intel® Xeon® E5335 et de 4 Go de RAM.
Résultat et discussion
La figure 1 illustre la vue en coupe longitudinale (c-à-d. une coupe parallèle à la direction de déplacement du laser) de la isosurface de la température et des vecteurs de vitesse dans le bain de fusion au moment t = 55 μs. La limite du bain de fusion est représentée par l’isotherme à 1608,15 K, qui est la température du liquidus de IN718. Comme le montre le côté droit de cette figure, une particule est partiellement fondue dans le bain de fusion. Près de la surface de la piscine de fusion, le métal fondu est tiré de l’emplacement central directement sous le faisceau laser jusqu’à l’extrémité arrière de la piscine. Un tel reflux de métal fondu près de la surface de la piscine produit un profil de surface qui est enfoncé sous le faisceau laser tandis qu’il forme une bosse vers l’arrière de la piscine. Comme nous le verrons plus loin, la forme de la bosse peut entraîner la formation d’un défaut de ballonnement.
Le ballonnement est un défaut qui peut se produire lorsque le bain de fusion devient discontinu et se brise en îlots séparés, comme l’illustre la figure 2. Comme le montre cette figure, le bain de fusion directement sous le faisceau laser n’est pas stable et l’extrémité arrière se détache rapidement de l’avant pour former un îlot séparé. La séparation s’amorce à partir d’un vide au milieu du bain de fusion, comme le montre la figure 2(c). Ce vide se dilate au fur et à mesure que le laser avance et finit par briser le bain de fusion en deux parties, comme le montrent les figures 2(e) et (f). La formation du vide et son expansion sont probablement causées par le fort reflux d’écoulement entraîné par le gradient de tension superficielle (effet Marangoni).
Sommaire
La simulation transitoire 3D du transfert de chaleur et de l’écoulement du fluide dans le L-PBF est réalisée pour fournir une compréhension quantitative de la formation du défaut de la bille. Bien que seule une piste linéaire simple soit simulée, le présent modèle montre l’importance de la simulation du profil de la surface du bain de fusion et de la formation du défaut de bille, qui sont des attributs importants de la qualité finale de la pièce à fabriquer.Ce matériel est basé sur des recherches financées en partie ou en totalité par l’Office of Naval Research (ONR) des États-Unis sous le numéro N00014-14-1-0688.
Références
[1] Y.S. Lee and W. Zhang, Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufacturing, In: 2015 Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, pp. 1154-1165, August 2015.
