Design and manufacturing of metallic smart parts with WAAM technology

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.Industry 4.0 highlights the need for massive data collection and therefore relies partly on the use of smart parts that are capable of providing data when they are used. In addition, metal additive manufacturing technologies seem to be a way to easily make smart parts and particularly the Wire & Arc Additive Manufacturing (WAAM) process that uses arc-welding technology. This raises the following issue, how to manufacture and design a smart metal part by WAAM? The research scope is limited to stress measurement in aluminum parts. In order to answer this problem, four scientific issues are identified and resolved in this manuscript:• The integration of a sensing technology within a part requires the part to be massive (composed of juxtaposed beads). Thus, making massive parts in aluminum is the first scientific challenge to resolve. Manufacturing parameters of the WAAM process are listed and explained in the state of the art. Wetting, regularity and mass energy of a bead are identified as indicators of the suitability of the selected parameters to be used to produce sound massive parts. Experimental campaigns are conducted to select parameters not identified by the state of the art to produce a wetted bead with low mass energy. Blocks are made and specimens are extracted then their mechanical characteristics are determined by tensile test in order to validate the selected parameters.• The second scientific challenge identified is to correctly choose the stress measurement technology to be inserted. Many devices that can be inserted during the WAAM process but also selection methods are reviewed in the bibliographic chapter. A synthesis in four families of strain measurement technologies relevant for the insertion during the WAAM process is therefore proposed. A selection guide based on evaluation criteria, on the knowledge of these technologies and on the specifications of parts to design as smart parts is proposed. Control by induction of an embedded magnetostrictive stress indicator is the most promising technology according to the proposed guide. This technology is used in the rest of the study.• The third challenge is to make the smart part manufacturable with the selected sensing technology. This technology requires the insertion of a thin steel indicator within the aluminum host part. In order to demonstrate its feasibility, various parameters (indicator’s coating, trajectory of the welding torch) are explored during experimental campaigns. Samples produced are analyzed by tomography. Thickness maps of the indicator are thus produced and allow to evaluate their deterioration. Scanning electron microscopy analysis of the intermetallic layer shows the fusion between the indicator and the host part and thus the feasibility of producing a smart part.• Finally, to realize a smart part with this technology, the last challenge is the choice of the indicator location in the part so that it reports the evolution of the stress in this one. Thus, recommendations for the selection of the mechanical characteristics of the indicator were formulated using the analysis of its magnetostrictive behavior and its mechanical coupling to its environment. Then, a method of placing the indicator for the measurement of the part maximum stress based on finite element simulations is presented for four distinct measurement scenarios.All the studies carried out allow to conclude on the interest of the use of the WAAM process for the production of smart parts