Simulation of Physical Phenomena Involved in Selective Laser Melting
Compréhension et simulation des phénomènes physiques affectant la fabrication additive en SLM
Résumé
Selective Laser melting (SLM) is an additive manufacturing process where successive powder layers are fused by a laser beam, following a computer-programmed pattern. Manufacturing suitable components (fully dense without a defect) relies on more than a hundred parameters (laser, material, working atmosphere, etc.) and is determined by both local and global phenomena (melt pool geometry, thermal gradient, phase change, thermal history, part geometry, etc.). However, a lot of practical results can be deduced from investigations at melt pool scale. The objective of the present thesis is precisely to investigate how local physical phenomena influence laser-matter interaction and melt pool hydrodynamics and stability in SLM regime. Three simulation tools are developed, regarding melt pool and vapour plus hydrodynamics, powder bed (with homogeneous mesoscopic description) and laser-matter interaction (thanks to ray tracing approach). Each tool is verified with analytical models and numerical test cases before they are validated with dedicated experimental campaigns, and with the use of high-resolution X-ray images extracted from literature. By combining these tools, we first show that keyhole results from irradiance concentration by the melt pool which acts like a concave mirror. We simulate three laser-matter interaction modes (“forced conduction”, transition mode and keyhole) and study their stability to assess to what extent there are adapted to SLM process. We finally investigate the denudation phenomenon. Thanks to a study that combines numerical simulation, analytical modelling, and scaling laws, we show that the choice of working atmosphere is of primary importance to limit this deleterious phenomenon. We thus propose a simplified tool, which help choosing this process parameter.
Le procédé SLM (Selective Laser Melting) est une technique de fabrication additive qui consiste à fondre sélectivement, à l’aide d’un laser, une succession de couches de poudre en suivant un schéma prédéfini par ordinateur. Ce procédé repose sur plus d’une centaine de paramètres, notamment liés au laser, au matériau ou à l’environnement de travail. Fabriquer des pièces denses et sans défauts dépend donc de phénomènes locaux (géométrie du bain de fusion, gradients thermiques, changements de phase, etc.) et globaux (histoire thermique, géométrie de la pièce, etc.), mais de nombreux résultats peuvent être déduits d’études menées à l’échelle du bain de fusion. L’objectif de cette thèse est justement d’étudier, à l’aide d’un modèle numérique développé avec COMSOL Multiphysics®, comment des phénomènes locaux conditionnent les modes d’interaction laser-matière et la stabilité hydrodynamique des bains de fusion en régime de SLM. Trois « briques » de simulation sont développées : l’hydrodynamique du bain de fusion et de la vapeur métallique, le lit de poudre (suivant une approche continue-équivalente) et l’interaction laser-matière (via la méthode ray tracing). Chaque brique est vérifiée à l’aide de modèles analytiques et de cas tests numériques, puis validée grâce à des campagnes expérimentales dédiées et des radiographies X de haute résolution extraites de la littérature. De cette manière, on montre que le keyhole est le résultat d’une concentration de l’irradiance absorbée par le bain de fusion, à la manière d’un miroir concave. Nous modélisons également trois modes d’interaction (« conduction forcée », intermédiaire, keyhole), étudions leur stabilité, et formulons des recommandations sur les régimes adaptés au procédé SLM. On analyse enfin le phénomène de dénudation. Enfin, à l’aide d’une étude associant simulation numérique, modélisation analytique et loi d’échelle, on montre que la nature de l’atmosphère de travail détermine au premier ordre l’intensité de ce phénomène, et on propose un outil qui aide à faire un choix raisonné du gaz de travail.
Origine : Version validée par le jury (STAR)