Estimation de la source de chaleur équivalente lors de la déposition d’un fil en acier inoxydable 316L par le procédé Metal Inert Gas – Cold Metal Transfer : application à la simulation thermique de la fabrication additive.
La Fabrication Additive (FA) est une technologie prometteuse car elle permet d’économiser de la matière première et de réduire le temps entre la fabrication et la mise à disposition de la pièce. Un générateur de soudage à l’arc, développé par la société Fronius, appelé MIC-CMT (Metal Inert Gas – Cold Metal Transfer), est utilisé comme source de chaleur afin de fondre un fil en acier inoxydable 316L. La fusion du matériau, un fil-électrode fusible, est obtenue grâce à l’arc électrique généré entre le support et l’extrémité du fil. La protection contre l’oxydation est généralement réalisée par l’apport d’un gaz inerte (Argon) dans la zone de fusion. On parle alors de Fabrication Additive à l’Arc et Fil (FAAF) [1]. Le LMGC s’est doté récemment d’une installation robotisée de soudage (Robot de la marque KUKA associé à un générateur MIG-CMT Advanced). Cette installation doit permettre de réaliser des pièces de grandes dimensions (plusieurs mètres) mais avec un état de surface grossier. Les pièces réalisées nécessitent un parachèvement mécanique de type usinage, par exemple, ainsi qu’un traitement thermique pour éliminer les contraintes résiduelles.
La géométrie des pièces réalisées actuellement sont simples : cela consiste à empiler plusieurs dépôts pour créer un « mur ». Des éprouvettes sont ensuites prélevées de ce mur afin de réaliser des analyses de la microstructure et des essais mécaniques (traction simple, essais en fatigue, etc.). De plus, nous avons mis en place une simulation thermo-mécanique de ce processus afin de prédire l’état de contraintes résiduelles du « mur » en acier 316L. Cette simulation thermo-mécanique requiert une donnée d’entrée cruciale : la source de chaleur générée par l’arc électrique qui sert à échauffer le substrat (ou le dépôt précédent) et à faire fondre le fil métallique [2].
Dans cette communication, nous proposons d’estimer cette source de chaleur équivalente à partir d’une modélisation thermique du dépôt d’un fil sur une tôle. La tôle et le fil sont en acier 316L. L’essai est instrumenté avec 5 thermocouples de type K pour mesurer la température. Les paramètres de soudage, l’intensité et la tension, sont aussi enregistrés et ils sont des paramètres d’entrée de la source de chaleur. La source de chaleur équivalente est de type Goladk : double ellipsoïde [3]. La modélisation thermique est bidimensionnelle et les propriétés thermophysiques du matériau, acier 316L, dépendent de la température. Un problème inverse de la conduction de la chaleur a été mis place pour estimer cette source de chaleur équivalente [4] qui nécessite l’estimation de 2 paramètres : le rendement du procédé et la distribution de la Gaussienne dans l’épaisseur. La distribution Gaussienne transverse (épaisseur de la tôle) est évaluée à partir d’une macrographie. Une étude numérique montre la faisabilité de cette estimation ainsi que l’influence des erreurs de mesures : bruit, position des thermocouples. L’analyse inverse finale est réalisée à partir des mesures expérimentales.