Crystal-Based Modeling of Machining Mechanics for Additively Manufactured Parts

L’usinage de composants fabriqués à partir d’alliages difficiles à usiner est nettement plus coûteux et chronophage que l’usinage des métaux d’ingénierie conventionnels, en raison de délais de fabrication considérablement plus longs. En réponse à cela, les procédés de fabrication additive (AM, additive manufacturing) ont été développés pour fabriquer ces matériaux difficiles à usiner sous forme de pièces proches des dimensions finales, réduisant ainsi les délais et les pertes de matière tout en augmentant la productivité. Malgré cette fabrication proche de la forme finale, des opérations de finition par usinage restent indispensables pour satisfaire aux exigences de précision dimensionnelle et de qualité de surface. Le procédé combinant FA et usinage est appelé fabrication hybride. Les changements d’état du métal pendant la fabrication additive entraînent une croissance préférentielle des cristaux, alignés avec le gradient thermique, lui-même aligné avec la direction de construction (BD, building direction). Ce phénomène est particulièrement prononcé dans les procédés de dépôt direct d’énergie (DED, Direct Energy Deposition), qui produisent des microstructures similaires à celles issues de la solidification lors du soudage. Il en résulte une anisotropie induite par la microstructure dans la pièce finale, contrairement aux métaux forgés classiques qui restent isotropes, avec des grains de formes et d’orientations aléatoires. Ce phénomène conduit à des réponses d’usinage différentes en fonction de l’orientation cristallographique du matériau. Cette recherche vise à prendre en compte l’anisotropie induite par la microstructure dans l’usinage au cours de la fabrication hybride, en développant un modèle analytique et itératif de mécanique de coupe basé sur la plasticité cristalline. L’usinage orthogonal bidimensionnel de monocristaux à structure cubique à faces centrées (FCC, face-centered cubic) a d’abord été modélisé à l’aide d’une nouvelle loi d’écrouissage dérivée du modèle constitutif de Johnson-Cook et intégrée à la plasticité cristalline, permettant ainsi de considérer l’effet du taux de déformation de cisaillement et de la température sur l’écrouissage du matériau. Le modèle orthogonal a été validé en comparant les efforts de coupe et les angles de cisaillement prédits avec ceux mesurés expérimentalement lors d’essais de tournage orthogonal sur des monocristaux de cuivre et d’aluminium. Les simulations de tournage sur monocristaux ont montré que l’orientation cristallographique a un impact significatif sur l’amplitude des efforts de coupe. Le modèle développé est également capable de prendre en compte l’influence des paramètres d’usinage tels que la vitesse de coupe, l’épaisseur de copeau non coupé, l’angle de coupe et l’angle de frottement.