L’impression 3D gagne en efficacité et en fiabilité grâce à la simulation. A l'issue d'un projet de recherche de trois ans et demi, l’Institut de recherche technologique (IRT) SystemX a terminé le développement du jumeau numérique d’un procédé de fabrication additive arc-fil ou Waam (pour Wire arc additive manufacturing), basé sur la fonte d’un fil métallique couche par couche. L’objectif : raccourcir les étapes de réglage des machines et viser l’impression de pièces bonnes au premier coup.
Précisément, le logiciel développé vise à optimiser le parcours de dépôt de matière afin d’obtenir une pièce à la bonne géométrie dès la première impression. Pour cela, il vise deux paramètres clés du procédé d’impression : la distance entre les cordons de métal fondu et la distance entre les couches de matière empilées.
Calibrage et modèle géométrique
«Optimiser ces paramètres sans outil numérique implique d’imprimer plusieurs pièces ratées», rappelle Xavier Lorang, responsable pour SystemX du projet, mené avec les industriels EDF, Air Liquide, Vallourec et Safran ainsi que le Centre technique des industries mécaniques (Cetim) et l’ENS Paris-Saclay. Grâce à la simulation, ces tests préalables sont désormais réalisés numériquement. Sans totalement se substituer aux essais réels. «Le jumeau numérique du procédé représente la pièce, le robot cinq axes et la source de soudage, développe Xavier Lorang. Cette représentation est alimentée par des données numériques fournies par la machine.» Et par certaines étapes d’impression préalables.
L’impression d’un cordon métallique et son analyse permet notamment le calibrage du modèle pour l’adapter aux particularités de la machine. «Modéliser le phénomène de soudure est très complexe, mais nous pouvons atteindre un niveau de simulation suffisant en déduisant expérimentalement certains paramètres», relate Xavier Lorang.
Une fois la source de soudage calibrée, le jumeau numérique se base sur un «méta-modèle géométrique» fondé sur les mesures d’une pièce-éprouvette pour déduire la topologie de la future pièce. Une alternative aux algorithmes d’apprentissage machine généralement intégrés dans ce genre de simulateurs. «C’est une originalité de l’algorithme qui permet une mise en œuvre rapide, note le responsable. Avec les données mesurées sur une seule pièce-éprouvette, le simulateur peut modéliser toutes sortes de trajectoires.»
Utilisé par Vallourec
Cette approche permet de définir le parcours idéal de la tête d’impression, pour une géométrie de pièce donnée, afin d’éviter les défauts de planéité et de qualité de dépôt par exemple. Le démonstrateur a été mis à disposition des membres du consortium Additive Factory Hub qui ont participé au projet, et est notamment déjà utilisé par Vallourec pour fabriquer des pièces.
Il pourrait désormais être amélioré en intégrant de nouveaux modèles de simulation, pour prendre en compte des modèles thermiques par exemple, évoque le responsable. Cela permettrait d’ajouter à la dimension géométrique une dimension temporelle, en paramétrant le temps d’attente – et de refroidissement – entre le dépôt de couches. Un élément supplémentaire pour apporter une fiabilité bienvenue à un procédé encore considéré comme peu mature pour les application critiques.
