Pari réussi pour l’Institut de recherche technologique (IRT) SystemX, qui est parvenu à modéliser un processus complet d’impression 3D par dépôt de fil métallique à l’arc (ou WAAM, wire arc additive manufacturing), consistant schématiquement à empiler des cordons de soudure sur un substrat. « Notre jumeau numérique inclut le robot à cinq axes, le générateur électrique qui produit le courant circulant dans le fil qui sort de la buse (la source de soudage qui est maintenue par le robot, ndlr), ainsi que la pièce à fabriquer », explique Xavier Lorang, chef de projet à SystemX.
Ce docteur en mécanique a dirigé ce projet intitulé WAS (wire arc additive manufacturing simulation), qui s’est achevé en octobre 2022 au bout de 42 mois de travail. Mené avec l’ENS Paris-Saclay et l’Additive factory hub (consortium qui réunit des industriels tels que Air Liquide, Vallourec et Safran, ainsi que le CEA, le CNRS ou encore le CETIM), ce projet avait pour objectif d’accélérer la mise au point des réglages du procédé WAAM en les simulant à l'aide d'une représentation numérique.
Contrairement au soudage à l’arc dont elle s’inspire, cette technique de fabrication additive, adaptée aux pièces de grande taille, est en effet encore immature. « Les paramètres de fabrication sont difficilement estimables sans fabrication préalable de nombreuses pièces de test, indique Xavier Lorang. Cela revient cher au moment de lancer une nouvelle production. » Afin de calculer directement les paramètres adéquats, SystemX a donc développé un jumeau numérique basé sur un modèle de simulation physique.
Un modèle physique complété par des données expérimentales
« Le simulateur de dépôt de matière 2D établit le lien entre les trajectoires du robot et la topologie de la pièce en cours de fabrication - c’est-à-dire la forme de chaque cordon déposé et leur assemblage qui constitue la pièce finale -, en fonction de l’état de la source de soudage, détaille Xavier Lorang. Il met en jeu les équations de mécanique des fluides de Young-Laplace, qui gouvernent la forme du bain liquide où s’accumulent les gouttes tombant de la buse. C’est la forme de ce bain qui détermine la forme du cordon final solidifié.»
Acquises à partir du dépôt d’un premier cordon sur le substrat, les données de vitesse du fil de soudure et d’intensité du courant électrique servent à calibrer ce modèle physique. Dans l’idéal, ce simulateur permettrait de calculer les distances optimales entre chaque couche (la pièce 3D est découpée numériquement en tranches avant sa fabrication) et entre chaque cordon afin de minimiser les défauts géométriques, comme celui affectant la planéité de la pièce finale.
Mais les équations physiques ne reflètent pas toutes les propriétés du bain de fusion, certaines étant sensibles à l’angle de contact entre la surface du liquide et la surface du solide. D’où la nécessité de « recaler » ce modèle physique avec l’apport de données expérimentales.
L'ajout d'un modèle de comportement thermique en perspective
Si l’une des tendances actuelles est d’hybrider la simulation physique avec de l’IA version machine learning, SystemX a opté pour un métamodèle géométrique, qui intègre les données topologiques des cordons, issues d’un scan 3D. « Ce métamodèle est construit à partir du scan d’une petite pièce éprouvette, signale Xavier Lorang. On peut alors simuler et donc prédire la topologie de n’importe quelle autre pièce avec d’autres paramètres. »
Certains comportements thermiques pourraient faire partie du modèle à l’avenir. « D'ordinaire, il faut vérifier manuellement la température et attendre le refroidissement de chaque cordon avant le dépôt suivant, poursuit Xavier Lorang. L’idée serait de prédire ces temps d’attente et de programmer la machine ad hoc. »
Selon SystemX, ce simulateur topologique hybride a l’avantage de simuler en quelques minutes la topologie d’un dépôt de matière 2D et de fonctionner dans un ordinateur « au pied de la machine ». Ce qui suggère que ce PC n’est pas une station de travail surpuissante. Il s’agit d’une conclusion probante pour ce projet WAS. Vallourec, qui fait parfois appel au procédé WAAM pour ses activités industrielles, devrait commencer à en exploiter les résultats.
