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Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
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Thèse Pascal ROBERT

Auteur : Pascal ROBERT
Directeur de thèse : Henri PARIS
Co Encadrant : Nicolas BERAUD
Co Encadrant : Matthieu MUSEAU

Conception et fabrication de pièces métalliques intelligentes par procédé WAAM

L’industrie 4.0 a mis en évidence la nécessité de collecter massivement des données et s’appuie donc en partie sur l’usage de pièces intelligentes qui sont capables de fournir des données lors de leur utilisation. De plus, les technologies de fabrication additive métallique semblent être un moyen de réaliser aisément des pièces intelligentes et particulièrement le procédé Wire & Arc Additive Manufacturing (WAAM) qui utilise une technologie de soudure à l’arc. Cela lève la problématique suivante : Comment fabriquer et concevoir une pièce métallique intelligente par fabrication additive WAAM ? Le périmètre de recherche est limité à la mesure de contraintes dans des pièces en aluminium. Afin de répondre à cette problématique quatre verrous scientifiques sont identifiées et résolus dans ce manuscrit :

  • · L’intégration d’une technologie de mesure au sein d’une pièce nécessite que celle-ci soit massive (composée de cordons juxtaposés). Ainsi, réaliser des pièces massives en aluminium est donc le premier verrou à lever. Les paramètres de fabrication du procédé WAAM sont listés et expliqués dans l’état de l’art. Le mouillage, la régularité et l’énergie massique d’un cordon sont identifiés comme des indicateurs de l’aptitude des paramètres sélectionnés à être utilisés pour produire des pièces massives saines. Des campagnes expérimentales sont menées pour sélectionner les paramètres non identifiés par l’état de l’art pour produire un cordon mouillé et ayant une faible énergie massique. Des blocs sont réalisés et des éprouvettes en sont extraites puis leurs caractéristiques mécaniques sont déterminées par essai de traction afin de valider les paramètres retenus.
  • · Le deuxième verrou scientifique identifié est de choisir correctement la technologie de mesure de contrainte à insérer. De nombreux dispositifs pouvant être insérés au cours du procédé WAAM mais également des méthodes de sélection sont passés en revue dans le chapitre bibliographique. Une synthèse en quatre familles des technologies de mesure de contrainte pertinentes pour l’insertion au cours du procédé WAAM est donc proposée. Un guide de sélection s’appuyant sur des critères d’évaluation, sur la connaissance de ces technologies et sur les spécifications de pièces à rendre intelligente est proposé. Le suivi d’un témoin de contrainte magnétostrictif enfoui par induction est la technologie la plus prometteuse d’après le guide proposé. Cette technologie est utilisée dans la suite de l’étude.
  • · Le troisième verrou est de rendre fabricable la pièce intelligente avec la technologie de mesure sélectionnée. Cette technologie nécessite l’insertion d’un témoin fin en acier au sein de la pièce hôte en aluminium. Afin d’en démontrer la faisabilité, divers paramètres (revêtement du témoin, trajectoire de la torche de soudure) sont explorés lors de campagnes expérimentales. Les échantillons produits sont analysés par tomographie. Des cartes d’épaisseur des témoins sont ainsi produites et permettent de juger de leur détérioration. L’analyse par microscopie électronique à balayage de la couche intermétallique montre la fusion entre le témoin et la pièce hôte et donc la faisabilité de réaliser une pièce intelligente ainsi.
  • · Enfin, pour réaliser une pièce intelligente avec cette technologie, le dernier verrou est le choix de l’emplacement du témoin dans la pièce pour que celui-ci rende compte de l’évolution de l’état de contrainte de celle-ci. Ainsi, des préconisations pour la sélection des caractéristiques mécaniques du témoin ont été formulées à l’aide de l’analyse de son comportement magnétostrictif et de son couplage mécanique à son environnement. Puis, une méthode de placement du témoin pour la mesure de la contrainte maximale dans la pièce et basée sur des simulations éléments finis est proposée pour quatre scénarios de mesures distincts.

L’ensemble des études menées permet de conclure sur l’intérêt de l’usage du procédé WAAM pour la production de pièces intelligentes.

mise à jour le 21 juin 2022

Université Grenoble Alpes