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Université de Yaoundé I University of
Yaoundé I
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DÉPARTEMENT DE PHYSIQUE
LABORATOIRE DE
SCIENCE DES MATÉRIAUX
THÈME :
L'ANALYSE DE SENSIBILITÉ DES
PARAMÈTRES
SUSCEPTIBLES D'INFLUENCER L'ÉTAT DE
SURFACE DES
PIÈCES OBTENUES EN
FABRICATION ADDITIVE POUR DES
APPLICATIONS
AÉRONAUTIQUES
Mémoire réalisé en partenariat
international présenté et soutenu en vue de
l'obtention du
Master of Science en Physiques
Spécialité : Sciences
Matériaux
Par :
KOND NGUE PIERRE GÉRARD
DAREL
Matricule : 15S2382
Licencié
en Physique
Co-Encadreur : Encadreur :
Pr YETNA N'JOCK Michel Pr NDJAKA Jean-Marie
Bienvenu
Institut Polytechnique des Sciences Avancées
de Paris Université de Yaoundé I
Année 2021
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
(c)2021
DÉDICACE
DÉDICACE
À mes parents :
Monsieur NGUEKOND Fridolin Félix
Médard et Madame NGUE Chantal ;
Monsieur BENGA Severin et Madame
BENGA Marie De-liz
À mes frères et soeurs...
À mes deux nièces préférées :
Gabriella et
Perline
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
(c)2021
REMERCIEMENTS
REMERCIEMENTS
Celui qui lira cette page risquera de croire que celle-ci
a été écrite en premier, ce qui n'est évidemment
pas le cas car, dit-on souvent, le meilleur se garde pour la fin. Il est
difficile pour moi d'exprimer par écrit la reconnaissance et la
gratitude qui reviennent aux personnes m'ayant aidé, encouragé et
soutenu pendant cette période chevaleresque de ma vie. J'espère
que vous tous et toutes sentirez la sincérité rattachée
à mes remerciements. Je tiens alors à rappeler que, si ce qui
suivra a été écrit avec la tête, cette page elle est
écrite avec le coeur.
Tout d'abord, je tiens à exprimer ici toute ma
reconnaissance à Dieu de qui sont venus tous les moyens
nécessaires pour l'aboutissement d'un tel travail, mes mots ne suffiront
pas pour Lui exprimer ma gratitude.
J'exprime mes vifs remerciements au Professeurs NDJAKA
Jean Marie Bienvenu et YETNA Michel, mes directeurs de mémoire qui ont
accepté de m'encadrer tout au long de ce travail. Merci de m'avoir fait
confiance, en respectant mes choix. Non seulement vous m'avez
imprégné des bases de la méthode et de la rigueur
scientifique, mais aussi vous m'avez appris des valeurs humaines et
d'intégrité. Trouvez ici toute ma reconnaissance et ma
gratitude.
Un merci particulier au Professeur YETNA Michel. Merci
pour sa disponibilité, ses conseils et sa promptitude à
répondre à mes différentes questions. Malgré la
distance et vos multiples occupations, vous avez toujours trouvé du
temps pour me tenir la main.
Je remercie particulièrement tous les enseignants
qui, malgré leurs multiples occupations, ont accepté de
participer à mon jury de soutenance.
J'ai naturellement une pensée forte pout tous mes
enseignants du Département de Physique de la Faculté des Sciences
de l'Université de Yaoundé I, sans qui je ne serais pas
arrivé à ce niveau. Un merci particulier aux enseignants du
laboratoire Sciences des Matériaux : Professeur NDJAKA Jean Marie
Bienvenu, Professeur ZEKENG Serge, Professeur NDOP Joseph, Professeur Annie
WAKATA, Dr TCHOFO Fidèle, Dr FEUDJIO David, Dr EDONGUE Hervais, Dr OTTOU
ABE Matin Thierry, Dr ETINDELE Anne Justine, Dr TEYOU NGOUPO Ariel.
Sans le soutien inconditionnel de ma famille, il m'aurait
été impossible de rédiger ce mémoire et surtout, de
poursuivre mes études jusque-là.
Je tiens à remercier ici mes parents : Monsieur
NGUEKOND Fridolin et Madame NGUE Chantal née NGO NEMI, Monsieur BENGA
Severin et Madame BENGA Marie De-liz née NGO KOMOL, Monsieur BILLONG Job
Salomon et Madame BILLONG Clotilde, Maman
II
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
(c)2021
REMERCIEMENTS
Micheline NGO KOMOL, le couple MOUKOURI merci d'avoir
toujours été là pour moi, puisse ce travail vous honorer.
Sachez que pour chaque goutte de sueur que j'ai versée pour ce travail,
vous en avez versé cent pour me soutenir.
Un merci spécial à mes soeurs KOMOL
Angeline, NGO KOMOL Orly, NGO KOMOL Micheline Perrette, OUM Kutcher, BENGA
Ghislaine, BENGA Tatiana, à mes frères KOMOL NGUE KOND Emmanuel,
KOMOL AMOS Stéphane, HOS MBOUI Otto Claude, KOND BILLONG DONALD pour
m'avoir soutenu tout ce temps et surtout d'avoir toujours supporté
toutes mes intrigues.
Mention spéciale à toi DOUNGUIA Carelle
Épse KOMOL pour tes conseils et ta promptitude à toujours vouloir
me venir en aide.
J'ai une pensée particulière pour vous qui
n'aviez jamais cessé de me soutenir tant spirituellement que moralement.
C'est aussi en pensant à vous que je suis allé au bout de mes
efforts. Vous êtes : NGUEKOND Fridolin, NGO NEMI Chantal, NGO KOMOL Marie
De-liz, KOMOL Angeline, KOMOL Micheline, Simon MANGUELE (et tout le peuple de
la MISCREV de Ngousso), DOUNGUIA Carelle.
Je serais impardonnable si je manquais d'adresser ici mes
sincères remerciement à mes camarades de promo ANEFO Patricia,
ASSANGA Lopez, BISSI Ferdinand, BOMBA Richard, KAMGA Arauld, KAMGANG Aubin,
KOWA Ibrahim, MOULIOM PAGNA, NDANG Kevin, NGOUME NDEMA Cédric, NOUDJI
Vincent, NZEBENG Dilane, OSSE Benjamin, OWONO MEBA Djames, Samuel TAGUIEKE, SOP
Leonel, TAMOKOUE Linda, TANKEU YANKAM, YONTA Julio et ZEBAZE Ginette. J'y suis
parvenu grâce à l'ambiance conviviale qu'on a toujours su
entretenir.
Au couple ABESSOLO, ESSAMA Aurélien, ainsi
qu'à tous les membres du Club Physique de l'Université de
Yaoundé I, votre indéfectible amitié et la grande
complicité qui anime notre relation ont été pour moi un
atout. Merci encore d'être là pour moi.
À toi Euphraisie, ton soutien et tes encouragements
ont été pour moi un véritable pilier. Grand merci à
toi.
Je tiens également à remercier toute la
communauté d'Otaku du groupe Otaku RPG Univers et en particulier
à son administrateur Guilaine dite « Tsunade ».
À tous ceux qui de près ou de loin ont
contribué d'une manière ou d'une autre à l'aboutissement
de ce travail, ainsi qu'à tous ceux qui estiment que leur nom devrait
figurer ici.
III
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
(c)2021
TABLE DES MATIÈRES
TABLE DES MATIÈRES
DÉDICACE I
REMERCIEMENTS II
TABLE DES MATIÈRES IV
LISTE DES TABLEAUX VII
LISTE DES FIGURES XI
LISTE DES ABRÉVIATIONS XIV
RESUME XII
ABSTRACT 1
INTRODUCTION GÉNÉRALE
2
CHAPITRE 1-ÉLÉMENTS DE BIBLIOGRAPHIE
4
1.1. Introduction 4
1.2 Généralités Sur La
Fabrication Additive 5
1.2.1 Principe De La Fabrication Additive
5
1.2.2 Contexte Actuel 6
1.2.3 Avantages 7
1.2.4 Les Limites 8
1.2.5 Comparaison Par Rapport Aux Méthodes
Soustractive Et Formative 10
1.2.6 Applications De La Fabrication Additive
15
1.3 Les Technologies De La Fabrication Additive
18
1.3.1 La Photopolymérisation En Cuve
19
1.3.2 Projection De Matière
21
1.3.3 Extrusion De Matière 22
1.3.4 Stratification De Couches 22
1.3.5 Projection De Liant 23
1.3.6 Fusion Sur Lit De Poudre 25
IV
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
KOND NGUE PIERRE GÉRARD DAREL
(c)2021
TABLE DES MATIÈRES
1.3.7 Dépôt De Matière Sous
Énergie Concentrée 26
1.3.8 Comparaison Entre Les Différentes
Technologies 27
1.4 Fusion Sur Lit De Poudre : Procédé
SLM (Selective Laser Melting) 28
1.4.1 Principe Et Description 28
1.4.2 Paramètres Du Procédé SLM
30
1.4.3 Simulation Et Modélisation Du
Procédé SLM 31
1.4.3.1. Généralités
31
1.4.3.2. Rôles De La Simulation
32
1.4.3.3. La Modélisation Multi-Échelle
(Micro, Méso, Macro) 32
1.4.3.4 Modélisation Numérique Du
Procédé SLM 34
1.5 Conclusion 35
CHAPITRE 2-MÉTHODE EXPÉRIMENTALE ET
MODÈLE NUMÉRIQUE 37
2.1 Introduction 37
2. 2 Configuration Expérimentale
37
2. 2. 1 Préparation Des Échantillons
37
2. 2. 2 Mesures In Situ De La Température Du
Bain De Fusion 39
2. 3 Configuration Numérique
40
2. 3. 1 Modèle Phénoménologique
40
2. 3. 2 Modèle Numérique
43
2.4 Conclusion 47
CHAPITRE 3-RÉSULTATS, ANALYSES ET DISCUSSIONS
48
3.1 Investigations Des Résultats
Expérimentaux Et Numériques 48
3.1.1 Effet des paramètres
procédés sur la morphologie de surface du cordon
48
3.1.2 Effet de la Densité d'Énergie
Volumique sur le régime de fusion 50
3.1.3 Seuil des régimes de fusion
53
3.1.4 Simulation numérique du bain de fusion
56
3.2 Étude De Sensibilité
60
3.2.1 Introduction 60
V
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MATÉRIAUX
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TABLE DES MATIÈRES
3.2.2 Étude De Sensibilité Du Module
Melting 60
3.3 Conclusion 65
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
66
RÉFÉRENCES 70
VI
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1-1: liste des procédés de
la fabrication soustractive 10
Tableau 1-2: liste des éléments
comparatifs entre la fabrication additive et la fabrication
soustractive 12
Tableau 1-3: liste des procédés de
la fabrication formative 13
Tableau 1-4: éléments comparatifs
entre la fabrication additive et la fabrication formative
14
Tableau 1-5: Liste des
procédés de Fabrication Additive de la norme NF ISO 17296-2
[39].
19
Tableau 1-6 : Comparaison des différents
procédés 28
Tableau 2-1: Conception de l'expérience
(DOE) pour les pistes à balayage unique 38
Tableau 2-2: Propriétés
thermo-physiques utilisées pour les simulations 46
Tableau 3-1: Données d'entrée
considérée comme valeur de référence
61
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VII
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
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LISTE DES FIGURES
LISTE DES FIGURES
Figure 1-1: Principe de la fabrication additive en
5 étapes, d'après P. Muller 6
Figure 1-2 : (a)* Évolution de la part (en
million d'euro) du marché mondial de l'impression
3D (b)* Répartition des projets par type
d'application (Rapport PIPAME, 2017). 7
Figure 1-3 : Éléments
aérospatiaux fabriqués par la technologie FA : (a) Pale de
turbine, et
(b) Pale intégrée [32]. 16
Figure
1-4 : Éléments automobiles fabriqués par la technologie FA
: (a) Boîtier de pompe à huile produit par fusion par faisceau
d'électrons (EBM), (b) boite de vitesse d'une voiture
de
course produite par EBM, et (c) collecteur
d'échappement produit par SLM [31] 16
Figure 1-5 : Pièces
biomédicales fabriquées par les technologies FA : (a)
Prothèse dentaire construite à l'aide de SLM, (b) Tiges de hanche
fabriquées à l'aide de EBM, et (c) Pont
dentaire à 3 éléments produit
à l'aide de SLM [31]. 17
Figure I-6 : Un circuit opérationnel
construit par la méthode de dépôt par fusion
(FDM)
[35]. 17
Figure I-7 : Produits artistiques construits par
les technologies FA [37] 18
Figure 1-8 : Principaux domaines d'application de
la fabrication additive de pièces [38] 18
Figure 1-9 : Schéma de fonctionnement de la
photopolymérisation en cuve [42] 20
Figure 1-10 : exemple de réalisation de
pièces par polymérisation laser, source ressource
«
Moulage à cire perdue : du modèle
à la pièce » [44] 20
Figure I-11 : Schéma de fonctionnement de
la projection de matière [42]. 21
Figure 1-12 : Exemples de réalisation de
pièces par projection de gouttes [47]. 21
Figure 1-13 : Schéma de fonctionnement du
dépôt de fusion au travers d'une buse
chauffante (Extrusion de Matière) [42].
22
Figure 1-14 : Exemples de réalisation par fusion au travers d'une
buse chauffante [50]. . 22
XI
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
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LISTE DES FIGURES
Figure 1-15 : Schéma de fonctionnement de
l'assemblage de couches (Stratification De
Couches) [42]. 23
Figure 1-16 : Exemple de réalisation par
stratification de couches [47]. 23
Figure 1-17: Schéma de fonctionnement de la
projection de liant sur un substrat de poudre
[42]. 24
Figure 1-18 : Exemple de réalisation de
pièce par projection de liant [50]. 24
Figure 1-19 : Principe de fusion sur lit de poudre
[42]. 25
Figure 1-20 : Exemples de réalisation de
pièces par fusion sur lit de poudre [51]. 26
Figure I-21 : Schéma du principe de
dépôt de matière sous énergie concentrée
[42]. 26
Figure 1-22 : exemple de réalisation par le
procédé de dépôt de matière sous
énergie
concentrée [47]. 27
Figure 1-23 :
Schéma du procédé de Fusion Sélective Par Laser
(SLM), d'après Popular 3D
Printers 29
Figure 1-24 : Structure de soutien couramment
utilisées [49]. 30
Figure 1-25 : Paramètres du
procédé SLM, d'après L. Van Belle [60].
31
Figure 2-1: Vue schématique du processus de
fusion laser sur lit de poudre équipé d'un
système de caméra infrarouge haute
vitesse [72] 37
Figure 2-2 : Caractéristiques morphologiques
intrinsèques d'une trace de fusion mesurables
[72]. 39
Figure 2-3 : Vue d'ensemble schématique de
la configuration numérique 44
Figure 2-4 : Reference de l'épandage sur
lit de poudre. 45
Figure 3-1: Topologie de surface des cordons
obtenus sur un substrat en Ti6Al4V 49
Figure 3-2: Micrographie de cordons
déposés avec la DEV (21 J/mm3) pour
différentes
valeurs de puissance et de vitesse de balayage.
50
XII
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
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LISTE DES FIGURES
Figure 3-3: Coupes transversales du bain de fusion
sous différentes puissances et vitesses de
balayage pour (a) le substrat et (b) le cas du lit
de poudre. 52
Figure 3-4: Variation des dimensions du bain en fonction de la
densité d'énergie volumique
(DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b)
substrat avec poudre du même matériau 54
Figure 3-5: Variation
de l'aspect rapport profondeur/largeur du bain en fonction de la densité
d'énergie volumique (DEV) pour un (a) substrat en Ti6Al4V et (b)
substrat avec
poudre du même matériau. 55
Figure
3-6: Prédiction de la forme d'un simple cordon obtenu à partir
des paramètres
d'impression S16 et T16 56
Figure 3-7: Section
transversale prédite d'une piste unique et résultats
numériques (ligne noire) comparés aux observations
expérimentales pour (a) le substrat S16 et (b) le lit
de
poudre T16. 57
Figure 3-8: Profondeur et
largeur du bain de fusion mesurées et prédites sous
différentes
puissances de faisceau laser et vitesses de
balayage pour le cas du substrat. 58
Figure 3-9: Coefficient d'absorption en
fonction de la température pour l'alliage Ti6Al4V
étudié. 59
Figure 3-10:
Comparaison entre les résultats numériques et
expérimentaux après calibration
du coefficient d'absorption pour la piste S16.
59
Figure 3-11: Cas P = 200 W, V = 1000 mm/s - interface métal / gaz
- contours de température
(K) 62
Figure 3-12: Indice de sensibilité sur la
profondeur du bain de fusion 62
Figure 3-13: Indice de sensibilité de la
largeur du bain de fusion. 63
Figure 3-14: Analyse de sensibilité des
réponses du modèle. 64
XIII
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MATÉRIAUX
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LISTE DES ABRÉVIATIONS
LISTE DES ABRÉVIATIONS
> ABS : Acrylonitrile Butadiène Styrène
> ALE: Arbitrary Lagrangien Euleran
> AM: Additive Manufacturing
> ASTM: American Society for Testing and Materials
> AZ : Zone Apparente
> CAD : Computer Aided Design
> CAM : Content-Adresable Memory
> CAO : Conception Assistée par Ordinateur
> CFD : Computational Fluids Dynamics (Dynamique des Fluides
Computationnelle)
> CNC: Computer Numerical Control
> DED: Directed Energy Deposition
> DEM : Discret Element Method (Méthode des
Eléments Discrets)
> DMLS : Direct-Metal Laser Sintering > DEV :
Densité d'Energie Volumique
> DOE : Conception Factorielle de l'Expérience
> EBM: Electron Bram Melting
> FA: Fabrication Additive (Additive Manufacturing)
> FAO : Fabrication Assistée par Ordinateur
> FVM : Méthode des Volumes Finis
> ISO: International Organization for Standardization
> LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation
> Nd:YAG: Neodymium - Doped Yttrium Aluminium Garnet
> RFID: Dispositif d'Identification par
Radiofréquence
> RZ: Zone Refondue
> SLA: Stéréolithographie
> SLM: Selective Layer Melting
> SLS: Selective Layer Sintering
> UV: Ultra-Violet
> ZAT: Zone Affectée Thermiquement
XIV
MASTER II- LABORATOIRE SCIENCES DES
MATÉRIAUX
RESUME
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