Thèse Modélisation du Procédé H-Wlam et Caractérisations Géométrique et Matériau des Cordons Produits en Vue de l'Optimisation du Pilotage pour des Pièces de Formes Complexes H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée Direction de la thèse : Sylvain LAVERNHE ORCID 0000000267014648 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59 La thèse proposée porte sur l'optimisation du procédé Hot-Wire Laser Additive Manufacturing (H-WLAM).
Les procédés de type Direct Energy Deposition permettent de fabriquer des pièces métalliques proches de leur forme finale (Near Net Shape) en déposant la matière de manière continue, ce qui réduit les délais, les coûts d'outillage et les opérations d'usinage de finition. Le WLAM, qui apporte la matière sous forme d'un fil métallique, ce qui présente des avantages en matière de sécurité et facilité de mise en oeuvre vis-à-vis des procédés à base de poudre. Dans les configurations coaxiales multifaisceaux, le laser chauffe simultanément le fil et le bain de fusion, avec un meilleur contrôle de la dilution et de la géométrie des cordons. La version H-WLAM ajoute un préchauffage du fil par effet Joule. Cette dissociation des apports énergétiques (laser pour la fusion, courant électrique pour le préchauffage) permet de réduire la puissance laser nécessaire, de mieux maîtriser la taille du bain de fusion. La microstructure et la santé matière des pièces fabriquées sont ainsi affectées et doivent également être contrôlées.
Cependant, la combinaison d'un fil chaud et d'une configuration multifaisceaux non axisymétrique complexifie fortement le pilotage du procédé. Il faut ajuster en continu : la puissance laser (P), le courant de préchauffage (I), le débit de fil (D), la vitesse de déplacement (V), l'orientation de la tête () tout en respectant les contraintes cinématiques d'un robot industriel 6 axes et les limites de la chaîne numérique de commande.
L'objectif des travaux est d'assurer un dépôt stable (sans défauts de type stubbing ou dripping), une bonne dilution, une géométrie maîtrisée des cordons, et l'absence de porosités ou de fissures lors de l'empilement de cordons juxtaposés, superposés ou courbes.
Pour cela, la thèse propose de modéliser et d'optimiser le procédé H-WLAM afin d'obtenir une géométrie et une microstructure cibles, tout en améliorant la répétabilité, la productivité et l'efficacité énergétique.
Les contributions scientifiques principales sont :
- la modélisation de l'apport énergétique répartissant l'énergie entre laser et effet Joule afin de stabiliser le procédé et la dépose des cordons et d'éviter la rupture par stubbing ou dripping
- la modélisation thermique numérique sous Cast3M pour simuler les champs de température et évaluer la capacité d'empilement sans accumulation excessive de chaleur
- la modélisation morphologique des cordons pour prédire la hauteur, la largeur, l'asymétrie, le taux de dilution et l'évolution microstructurale des cordons en fonction des paramètres (P, I, D, V, )
- la validation expérimentale et les caractérisations par des essais instrumentés pour valider et enrichir les modèles.
Cette thèse vise à établir une méthodologie complète de maîtrise et d'optimisation du procédé H-WLAM, intégrant des modélisations énergétiques, thermiques et morphologiques, et basée sur de nombreuses expérimentations, afin de produire de façon répétable des pièces métalliques saines à géométries complexes, avec un haut niveau de contrôle. Le sujet de thèse proposé vise à relever les défis mentionnés ci-dessus en maîtrisant et en optimisant le processus et le procédé H-WLAM, combinant un fil « chaud » avec une configuration multifaisceaux non axisymétrique. Cette combinaison vise à offrir une plus grande flexibilité dans la mise en oeuvre du processus et un meilleur contrôle de la géométrie et de la santé matière des pièces fabriquées.
L'objectif est de modéliser et d'optimiser le processus H-WLAM afin d'obtenir une géométrie et une microstructure données sans porosités ni fissures lors du dépôt de cordons juxtaposés, empilés et courbes. Il s'agit également d'augmenter la productivité, de réduire les coûts énergétiques et d'améliorer la répétabilité du processus.
Les contributions de la thèse porteront sur :
- le calcul et l'équilibrage des sources d'énergie, en assurant la dilution des cordons et un taux de dépôt de matière élevé ;
- l'évaluation du comportement thermique pendant la production des cordons et des pièces à l'aide de simulations numériques ;
- la prédiction de la morphologie et de l'empilement des cordons, y compris l'évolution de leur hauteur et de leur largeur, leur asymétrie, leur taux de dilution et leur microstructure. Les modèles seront définis en fonction des paramètres du procédé H-WLAM, à savoir la puissance du laser (P), l'échauffement par effet Joule (I), l'alimentation en fil (D), la vitesse de déplacement (V) et l'orientation de la tête de dépôt () ;
- l'étude des stratégies de dépose visant à garantir le raffinement de la microstructure. Les procédés de fabrication additive métallique, en particulier ceux par énergie concentrée (procédés dits Direct Energy Deposition), permettent la production de pièces brutes avec une géométrie proche de la forme nominale, grâce à un dépôt du matériau continu et relativement précis. Ce principe réduit ainsi les délais de production en supprimant la nécessité de concevoir et de fabriquer des outillages spécifiques et minimise les opérations d'usinage et de finition, étant donné le surplus de matière réduit (géométrie Near Net Shape).

Parmi les divers procédés, le procédé de fabrication additive par laser-fil (Wire Laser Additive Manufacturing ou DED-LW) facilite la création de pièces de formes complexes tout en surmontant les problèmes de santé et de sécurité liés à l'utilisation de poudre. Dans les configurations WLAM les plus avancées, le fil métallique et le flux d'énergie sont amenés de manière coaxiale, ce qui offre des avantages significatifs, mais difficiles à exploiter en termes de contrôle du procédé par rapport aux configurations dites latérales. Dans la configuration coaxiale, la puissance du laser peut être distribuée avec de multiples faisceaux [DU19, BAM21, ROC24] afin de chauffer à la fois le fil avant qu'il ne plonge dans le bain de fusion et la surface du bain de fusion lui-même.
Cette configuration offre un certain contrôle sur la dilution et la forme du cordon et donc sur la géométrie des pièces. Cela est particulièrement avantageux lors du traitement de trajectoires courbes, car la configuration à faisceaux multiples peut ajuster son orientation afin de mieux contrôler la forme du cordon et d'éviter un dépôt excessif sur la face interne de la courbe. De plus, l'utilisation d'un fil chaud préchauffé par effet Joule (Hot-WLAM) offre des avantages supplémentaires, améliorant le contrôle thermique et la productivité. Grâce à cette méthode, l'énergie fournie au fil n'est plus uniquement proportionnelle à la puissance du laser, ce qui permet de réduire la puissance et donc la température et la taille du bain de fusion. Cette optimisation conduit à des géométries de cordons différentes, à une santé matière et à des propriétés microstructurales modifiées [SU24].
Cependant, le contrôle de cette configuration pour des formes complexes pose des défis, car il nécessite des ajustements continus de la répartition de l'énergie apportée à la pièce (courant électrique - laser) et de l'orientation des multiples faisceaux. Ces ajustements doivent par ailleurs être cinématiquement compatibles avec la structure mécanique portant la tête de dépôt (robot industriel 6 axes) et doivent être intégrables dans la structure générale de pilotage des opérations et de la gamme de fabrication de la pièce. La chaîne numérique de pilotage du procédé peut également présenter des verrous à l'optimisation de ce pilotage. Un modèle d'apport d'énergie sera développé sur la base des travaux de [ROC23, ROC24] afin de répartir la part d'énergie provenant de la source laser (assurant la fusion et la dilution du fil) et de l'effet Joule (préchauffage du fil) pour ajuster le processus, en particulier au début de chaque cordon, afin d'obtenir un comportement stable, sans rupture du fil soumis au phénomène de stubbing.
Un modèle thermique sera mis en place à l'aide de Cast3M sur la base des travaux antérieurs de LURPA pour le Cold-WLAM [DUB26] afin d'évaluer l'aptitude à empiler des cordons sans accumulation de chaleur.
Ces modèles permettront de prédire les configurations valides, d'écarter les cas triviaux de défauts de « stubbing » ou de « dripping », et de maintenir le contact électrique afin de garder l'effet Joule actif. Ils aideront également à définir les contraintes sur les cinq paramètres (P, I, D, V, ) afin de déterminer une fenêtre de paramètres cohérente [ABR25]. Cela implique la conception et la réalisation de nombreuses expériences instrumentées (fabrication des cordons et échantillons de pièces types en alliage IN718 ou 316L) et l'acquisition de données (bain de fusion, champ de température et forme des cordons).
De nombreuses caractérisations seront également réalisées, d'une part concernant la géométrie et la topographie de surface, à l'aide d'équipements de mesure optique afin de développer le modèle morphologique externe, et d'autre part sur l'état des matériaux (dilution, porosité, microstructure).

- Compétences avancées en calcul scientifique (Matlab, Python)
- Connaissances générales sur les procédés de fabrication et les physiques mises en jeu
- Connaissances intermédiaires en robotique
- Attrait pour l'expérimentation