Notre équipe dispose des outils de simulation et de modélisation dans les différentes étapes intervenants dans le traitement de surface par projection thermique à savoir :
- l’optimisation de buses de projection (plasma, cold spray, arc fil, etc.)
- la modélisation des propriétés thermiques, cinématiques des écoulements au sein des buses de projections et des particules traitées
- la caractérisation numérique de la conductivité thermique des dépôts
- la formation des contraintes résiduelles dans les dépôts
- la modélisations 3D associées aux sources thermiques mobiles
Optimisation du design de buses (cold spray, plasma, arc fil, etc.)
Le laboratoire s’attache à générer des outils de projection optimisés. Ces dernières années, des développements ont été menés par exemple sur les buses de projection à froid, les buses des torches plasma pour la projection sous de faibles pressions.
La modélisation des propriétés thermiques, cinématiques des écoulements/particules
Les modélisations réalisées ont pour objectif d’améliorer la compréhension et la maîtrise des procédés de projection thermique.
Caractérisation numérique de propriétés des revêtements (conductivité thermique, contraintes résiduelles)
Un exemple concret a été l’estimation de la conductivité thermique des structures poreuses (telles que les dépôts élaborés par projection thermique). A partir d’une image binaire du champ de porosité (micrographie de la coupe transversale d’un dépôt) comme support de maillage, chaque pixel est alors interprété comme un volume d’intégration de l’équation de conduction de la chaleur en régime stationnaire. En imposant 2 températures différentes sur les faces supérieures et inférieures de la structure et en affectant une conductivité thermique à chaque pixel (différente en fonction de sa couleur), il est possible de déterminer numériquement le flux thermique traversant la structure et d’en estimer une conductivité thermique effective dépendant du flux traversant et de l’épaisseur de l’échantillon.
La formation des contraintes résiduelles dans les dépôts se produit de par leurs conditions d’élaboration (écrasement puis refroidissement rapides de gouttelettes fondues, refroidissement de l’ensemble dépôt/substrat). En outre, la structure des dépôts formés peut être influencée (micro- fissures dans les dépôts céramiques) et des problèmes de décollement peuvent parfois être observés dans le cas de mauvaises conditions d’élaboration.
Thermiques des pièces
Le préchauffage des pièces et les balayages par jets de plasma ou jets HVOF en cours de projection représentent des sources thermiques mobiles qui influent de manière transitoire sur les températures de surface des matériaux. Si des modélisations peuvent être effectuées à l’aide de différents logiciels commerciaux, nous développons également un outil de calcul permettant la modélisation tridimensionnelle instationnaire des phénomènes de conduction dans le cas de sources thermiques mobiles sur des pièces de forme simple.
Simulation et optimisation des trajectoires de torches
En raison de la complexité géométrique des substrats à recouvrir et des exigences de qualité de plus en plus prégnantes, la projection thermique moderne doit mettre en œuvre des installations robotisées performantes. Cependant, lors de la programmation manuelle des robots, certaines contraintes sont difficiles à respecter comme par exemple la conservation simultanée de la distance et de l’angle de projection de la torche par rapport à la surface à revêtir.
Aussi, afin d’améliorer les procédures de programmation du robot et par voie de conséquence la qualité et la rentabilité du procédé, un programme de recherche est développé au sein de l’équipe. Ce programme a pour objectif la simulation de la projection thermique en intégrant la trajectoire de la torche. La distribution de l’épaisseur du revêtement ainsi que la température atteinte dans le substrat peuvent ainsi être simulées et optimisées pour des pièces complexes (cf. illustrations ci-après).
Ce programme de recherche comporte la mise au point d’une interface optimisée pour la projection thermique pour le logiciel RobotStudio ®, en collaboration avec la société ABB.
