Instrumentation, identification and control of laser direct metal deposition for additive manufacturing

180 Pages·2017·4.97 MB·French

2014-ENAM-0050

École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur
Doctorat ParisTech

T H È S E

pour obtenir le grade de docteur délivré par
l’École Nationale Sup érieure d'Arts et Métiers
Spécialité “ Automatique ”
présentée et soutenue publiquement par

Rezak MEZARI
Le 17 Décembre 2014
Etude du contrôle de procédé de projection laser pour la fabrication

additive :
Instrumentation, Identification et Commande
Directeur de thèse : Pascal AUBRY
Jury
T
M.Alain MICAELLI, Docteur HDR, LIST, CEA Saclay Président
M.Gilles DUC, Professeur HDR, Département Automatique, SUPELEC Rapporteur H
M.Pascal MOGNOL, Professeur HDR, Département Mécatronique, ENS Rennes Rapporteur
È
M.Patrice PEYRE, Directeur de Recherche CNRS, PIMM, Arts et Métiers ParisTech – Paris Examinateur
M.Pascal AUBRY, Docteur HDR, Arts et Métiers ParisTech – Paris Examinateur S
Mme. Laëtitia KIRSCHNER, Airbus Group Innovations Invitée
E
M.Didier BOISSELIER, IREPA LASER Invité
Arts et Métiers ParisTech - Centre de Paris
PIMM - Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux

Re(cid:373)e(cid:396)(cid:272)ie(cid:373)e(cid:374)t
C(cid:859)est a(cid:448)e(cid:272) u(cid:374)e (cid:272)e(cid:396)tai(cid:374)e (cid:288)(cid:373)otio(cid:374) et (cid:271)eau(cid:272)oup de si(cid:374)(cid:272)(cid:288)(cid:396)it(cid:288) que je consacre ces quelques lignes en
signe de reconnaissance à tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à la réalisation de cette
thèse.
En premier lieu, sa(cid:374)s (cid:395)ui, (cid:272)ette th(cid:287)se (cid:374)(cid:859)au(cid:396)ait ja(cid:373)ais eu lieu, je souhaite e(cid:454)p(cid:396)i(cid:373)e(cid:396) (cid:373)a profonde
gratitude à mon directeur de thèse Pascal AUBRY. Je voudrais le remercier pour sa disponibilité, son
soutien, sa confiance, sa générosité, sa bonne humeur qu'il m'a accordée tout au long de ces années
et ses conseils qui ont été nombreux et importants. Je remercie bien entendu Thierry MALLOT, qui a
su être présent à tout instant et à me pousser à toujours faire mieux. J(cid:859)ai également une pensée
a(cid:373)i(cid:272)ale pou(cid:396) Ke(cid:448)i(cid:374) VE‘DIE‘, do(cid:374)t je ga(cid:396)de(cid:396)ai l(cid:859)e(cid:454)e(cid:373)ple ai(cid:374)si (cid:395)ue le sou(cid:448)e(cid:374)i(cid:396) de (cid:374)os dis(cid:272)ussio(cid:374)s.
Je remercie chaleureusement les Professeurs Gilles DUC et Pascal MOGNOL pour avoir accepté le
difficile rôle de rapporteur de ces travaux, pou(cid:396) le te(cid:373)ps (cid:395)u(cid:859)ils o(cid:374)t a(cid:272)(cid:272)o(cid:396)d(cid:288) à la le(cid:272)tu(cid:396)e de (cid:272)ette th(cid:287)se
et à l(cid:859)(cid:288)la(cid:271)o(cid:396)atio(cid:374) de leu(cid:396) (cid:396)appo(cid:396)t, ainsi que Patrice PEYRE, Alain MICAELLI, Laetitia KIRSCHNER et
Didier BOISSELIER d(cid:859)a(cid:448)oi(cid:396) a(cid:272)(cid:272)ept(cid:288) de p(cid:396)e(cid:374)d(cid:396)e pa(cid:396)t à (cid:373)o(cid:374) ju(cid:396)(cid:455).
La (cid:396)(cid:288)alisatio(cid:374) de (cid:272)e t(cid:396)a(cid:448)ail s(cid:859)appuie également sur un environnement qui est essentiel. A ce titre, je
voudrais remercier le personnel de mon (cid:288)(cid:272)ole do(cid:272)to(cid:396)ale et (cid:373)o(cid:374) la(cid:271)o(cid:396)atoi(cid:396)e d(cid:859)a(cid:272)(cid:272)ueil, le PIMM plus
particulièrement Anne BOUTEVILLE, Gilles REGNIER, Florence DUMARD, Claude ROY, Florence
DEBEIRE, Christophe CANU, Farida ZIDEKHILE, Odile ANGELE et Frédéric VALES (cid:395)ui (cid:373)(cid:859)o(cid:374)t pe(cid:396)(cid:373)is de
(cid:373)(cid:859)i(cid:374)t(cid:288)g(cid:396)e(cid:396) (cid:396)apide(cid:373)e(cid:374)t et de (cid:396)(cid:288)alise(cid:396) (cid:373)es p(cid:396)ojets. Je voudrais également remercier tous mes
collègues du projet FALEFEL. Je garderai un bon souvenir des discussions animées au cours des
(cid:396)(cid:288)u(cid:374)io(cid:374)s pl(cid:288)(cid:374)i(cid:287)(cid:396)es… Plus pa(cid:396)ti(cid:272)uli(cid:287)(cid:396)e(cid:373)e(cid:374)t, je (cid:396)e(cid:373)e(cid:396)(cid:272)ie Gilles SU‘DON, Franck HENRIROUX, Claude
LEONETTI, Stéphane ABED, Toinou BLANC, Pierre VINSON, Guillaume MARION, Christophe COLIN,
Philippe CORRE, Thomas VILARO, Lucas DEMBINSKI, Antoine DROUOT, Jean-François FROMENTIN,
Stephane LAVIGNOTTE, Igor SMUROV et Andrey GUSAROV.
Une pensée émue pour mes camarades de l(cid:859)(cid:288)(cid:395)uipe LASE‘ que j'ai été amené à côtoyer et avec
les(cid:395)uels j(cid:859)ai pa(cid:396)tag(cid:288) tous (cid:272)es (cid:373)o(cid:373)e(cid:374)ts de doute et de plaisi(cid:396). Tous (cid:272)es i(cid:374)sta(cid:374)ts autou(cid:396) d(cid:859)u(cid:374) sa(cid:374)d(cid:449)i(cid:272)h
ou d(cid:859)u(cid:374) (cid:272)af(cid:288) o(cid:374)t (cid:288)t(cid:288) auta(cid:374)t de (cid:373)o(cid:373)e(cid:374)ts de d(cid:288)te(cid:374)te i(cid:374)dispe(cid:374)sa(cid:271)les. Un merci plus particulier à
Myriam GHARBI, Jérimie GIRARDOT, Anas NIFA, Koji HIRANO, Maryse MULLER, Sébastien POUZET,
Morgan DAL, Rémy FABRO, Frédéric COSTE, DUPUY Corinne, Cyril GORNY, GUINAULT Alain, Lounès
ILLOUL, Laurent BERTHE, Yann ROUCHAUSSE, Damien COURAPIED et Matthieu SCHNEIDER.
Je voudrais aussi témoigner ma gratitude envers mes enseignants, ainsi que toutes les personnes qui
ont contribué à ma formation en Algérie et en France.
Mes de(cid:396)(cid:374)ie(cid:396)s (cid:396)e(cid:373)e(cid:396)(cid:272)ie(cid:373)e(cid:374)ts i(cid:396)o(cid:374)t (cid:288)(cid:448)ide(cid:373)(cid:373)e(cid:374)t à tous (cid:272)eu(cid:454) (cid:395)ui fo(cid:396)(cid:373)e(cid:374)t (cid:373)o(cid:374) “(cid:272)o(cid:272)o(cid:374)“ fa(cid:373)ilial. Je
pe(cid:374)se tout d(cid:859)a(cid:271)o(cid:396)d à tous les membres de la famille MEZARI et ZENAIDI de m'avoir soutenu et qui ne
cessent de m'encourager à aller plus loin. Un grand merci à (cid:373)es deu(cid:454) sœu(cid:396)s Kahi(cid:374)a et Lilia ai(cid:374)si (cid:395)u(cid:859)à
mon oncle Djamel. Enfin, ma reconnaissance la plus profonde s'adresse à mes parents pour leurs
sacrifices, leurs soutiens et leur appui moral permanent, malgré la distance qui me sépare d'eux.
Qu(cid:859)ils t(cid:396)ou(cid:448)e(cid:374)t, da(cid:374)s la (cid:396)(cid:288)alisatio(cid:374) de (cid:272)e t(cid:396)a(cid:448)ail, l(cid:859)a(cid:271)outisse(cid:373)e(cid:374)t de leu(cid:396)s effo(cid:396)ts ai(cid:374)si (cid:395)ue
l(cid:859)e(cid:454)p(cid:396)essio(cid:374) de (cid:373)a plus affe(cid:272)tueuse g(cid:396)atitude. J(cid:859)esp(cid:287)(cid:396)e (cid:289)t(cid:396)e à la hauteu(cid:396) de leu(cid:396) fie(cid:396)t(cid:288)
inconditionnelle. Je tiens également à remercier mes beaux-parents pour leur soutien et leur
présence sans faille.
Mes de(cid:396)(cid:374)ie(cid:396)s (cid:396)e(cid:373)e(cid:396)(cid:272)ie(cid:373)e(cid:374)ts et (cid:374)o(cid:374) les (cid:373)oi(cid:374)d(cid:396)es, s(cid:859)ad(cid:396)esse(cid:374)t à (cid:373)on épouse Asma, qui, pour mon
plus grand bonheur partage ma vie et mes expériences professionnelles depuis leurs origines. Elle a
su, tout au long de cette thèse (cid:373)(cid:859)e(cid:374)(cid:272)ou(cid:396)age(cid:396) da(cid:374)s (cid:373)a (cid:448)oie. So(cid:374) soutie(cid:374) a (cid:288)t(cid:288) sa(cid:374)s faille et je lui se(cid:396)ai
(cid:288)te(cid:396)(cid:374)elle(cid:373)e(cid:374)t (cid:396)e(cid:272)o(cid:374)(cid:374)aissa(cid:374)t d(cid:859)a(cid:448)oi(cid:396) été la pierre angulaire de cette entreprise. Elle est la clef de ma
(cid:396)(cid:288)ussite, sa(cid:374)s elle à (cid:373)es (cid:272)ôt(cid:288)s, (cid:272)ette (cid:396)(cid:288)alisatio(cid:374) (cid:374)(cid:859)au(cid:396)ait pas la (cid:373)(cid:289)(cid:373)e sa(cid:448)eu(cid:396).

Table des matières

Table des matières .......................................................................................................................iv
Introduction générale ................................................................................................................... 1
I
Projection laser et contrôle de procédé ....................................................................................... 5
I.1 Introduction ...................................................................................................................... 6
I.2 Le procédé de projection laser............................................................................................ 6
I.2.1 Principe de fonctionnement ........................................................................................... 6
I.2.2 Paramètres du procédé .................................................................................................. 7
I.3 Modèles phénoménologiques ............................................................................................ 9
I.4 Nécessité du contrôle de procédé en projection laser ........................................................ 11
I.4.1 Principales caractéristiques du procédé pour le contrôle .............................................. 12
I.4.2 Défauts et instabilités du procédé de projection laser ................................................... 12
A. Perturbations ......................................................................................................................... 13
B. Défauts géométriques : Instabilités des dimensions du cordon ........................................... 13
C. Autres instabilités ou défauts ................................................................................................ 14
I.4.3 Définition des entrées-sorties pour le contrôle procédé ................................................ 14
I.4.4 Traçabilité versus contrôle-commande ......................................................................... 16
I.4.5 Apports du contrôle/commande - Quelle solution et quels outils? ................................ 17
I.4.6 Les limites des contrôles-commande existants ............................................................. 18
I.5 Co(cid:374)te(cid:454)te et (cid:272)ad(cid:396)e i(cid:374)dust(cid:396)iel de l’étude ............................................................................. 19
I.5.1 Le projet FALAFEL ........................................................................................................ 19
I.5.2 Les besoins industriels vis-à-vis du procédé .................................................................. 20
I.6 Objectifs du travail de thèse et méthodologie .................................................................. 21
I.7 Conclusion ....................................................................................................................... 23
II
Développement des capteurs du procédé ............................................................................... 25
II.1 Introduction .................................................................................................................... 26
II.2 Analyse bibliographique des capteurs pour le procédé de projection laser......................... 26
II.2.1 Introduction............................................................................................................. 26
II.2.2 Mesure de température ........................................................................................... 27
II.2.2.1 Mesure de température par contact ............................................................................. 28
II.2.2.2 Mesure de température sans contact ........................................................................... 28
II.2.3 Mesures géométriques ............................................................................................. 33
iv
II.2.3.1 La vision active ............................................................................................................... 33
II.2.3.2 La vision passive ............................................................................................................ 36
II.2.3.3 Mesure de la position en Z du bain liquide par vision passive ...................................... 37
II.2.4 Synthèse des limites des systèmes existants et propositions de développement........ 40
II.3 Description du poste expérimental de projection .............................................................. 41
II.3.1 Le laser .................................................................................................................... 41
II.3.2 La table de déplacement .......................................................................................... 42
II.3.3 Poudre, distributeur de poudre et buse de projection ............................................... 43
II.4 Développe(cid:373)e(cid:374)t d’u(cid:374) (cid:373)o(cid:455)e(cid:374) de (cid:272)a(cid:396)a(cid:272)té(cid:396)isatio(cid:374) des (cid:271)uses de p(cid:396)oje(cid:272)tio(cid:374) ............................ 44
II.4.1.1 Caractérisation du jet de poudre................................................................................... 44
II.4.1.2 Position du plan focal .................................................................................................... 46
II.4.1.3 Evaluation du rendement de fusion .............................................................................. 47
II.5 Mise e(cid:374) pla(cid:272)e de l’i(cid:374)stallatio(cid:374) de p(cid:396)oje(cid:272)tio(cid:374) lase(cid:396) ............................................................. 49
II.5.1 La chai(cid:374)e d’ac(cid:395)uisitio(cid:374) et de traitement de données ................................................. 49
II.5.2 Le laser .................................................................................................................... 51
II.5.2.1 La caractérisation du faisceau laser .............................................................................. 51
II.5.2.2 Suivi de puissance .......................................................................................................... 52
II.5.2.3 La commande en puissance .......................................................................................... 52
II.5.3 Système de déplacement ......................................................................................... 53
II.5.3.1 Mesure de la vitesse de déplacement ........................................................................... 53
II.5.3.2 Commande en vitesse ................................................................................................... 53
II.5.4 Etalonnage du débit de poudre ................................................................................ 54
II.6 Mise e(cid:374) œuv(cid:396)e du (cid:272)apteu(cid:396) de (cid:373)esu(cid:396)e du (cid:271)ai(cid:374) li(cid:395)uide ....................................................... 54
II.6.1 Introduction............................................................................................................. 54
II.6.2 Détermination du matériel de vision pour le contrôle/commande de procédé de
projection laser ...................................................................................................................... 55
II.6.2.1 Choix de technologie : CCD ou CMOS ? ......................................................................... 55
II.6.2.2 Sélection des caméras ................................................................................................... 57
II.6.3 Mesure 2D du bain liquide ....................................................................................... 61
II.6.3.1 Le montage .................................................................................................................... 61
II.6.3.2 Les t(cid:396)aite(cid:373)e(cid:374)ts d(cid:859)i(cid:373)ages d(cid:288)(cid:448)elopp(cid:288)es ......................................................................... 63
II.6.3.3 Extraction des caractéristiques géométriques du bain ................................................. 71
II.6.4 Mesure de la position en Z du bain liquide par dispositifs coaxiaux ........................... 73
II.6.4.1 Les différents dispositifs coaxiaux ................................................................................. 73
II.6.4.2 Evaluation de dispositifs coaxiaux ................................................................................. 74
II.6.4.3 Conclusion partielle : (cid:272)hoi(cid:454) d(cid:859)u(cid:374) dispositif de (cid:373)esu(cid:396)e .................................................. 75
v
II.6.5 Développe(cid:373)e(cid:374)t d’u(cid:374) dispositif ho(cid:396)s axe de (cid:373)esu(cid:396)e e(cid:374) Z ........................................... 75
II.6.5.1 Le montage .................................................................................................................... 75
II.6.5.2 Développement du modèle du bain .............................................................................. 77
II.6.6 Incertitudes sur les mesures du bain ......................................................................... 91
II.7 Conclusion ....................................................................................................................... 93
III
Modélisation et identification du procédé ............................................................................. 95
III.1 Introduction .................................................................................................................... 96
III.2 Les modèles pour le contrôle procédé – Etat de l’a(cid:396)t ......................................................... 97
III.2.1 Modèles de connaissance ......................................................................................... 97
III.2.2 Modèles expérimentaux .......................................................................................... 99
III.3 Synthèse et démarche retenue ........................................................................................ 101
III.4 Etudes du procédé en boucle ouverte .............................................................................. 102
III.5 Modèles du procédé de projection laser, identification et résultats .................................. 105
III.5.1 Chai(cid:374)e d’ac(cid:395)uisitio(cid:374) et de génération de signaux ..................................................... 106
III.5.1.1 Choix des points de fonctionnement .......................................................................... 107
III.5.1.2 Description des actionneurs ........................................................................................ 107
III.5.1.3 Choi(cid:454) de la f(cid:396)(cid:288)(cid:395)ue(cid:374)(cid:272)e d(cid:859)(cid:288)(cid:272)ha(cid:374)tillo(cid:374)(cid:374)age .................................................................... 108
III.5.1.4 Choi(cid:454) de l(cid:859)e(cid:374)t(cid:396)(cid:288)e d(cid:859)e(cid:454)(cid:272)itatio(cid:374) ..................................................................................... 108
III.5.1.5 Elaboration du jeu des données entrée-sortie ............................................................ 110
III.5.1.6 Prétraitement des données ......................................................................................... 111
III.5.2 Choix de la structure des modèles locaux ................................................................. 113
III.5.3 Estimation des paramètres ...................................................................................... 114
III.5.4 Résultats d’ide(cid:374)tificatio(cid:374) ........................................................................................ 115
III.5.5 Validation des résultats ........................................................................................... 117
III.5.6 Comparaison avec les données expérimentales ....................................................... 120
III.6 Analyse du comportement thermique ............................................................................. 121
III.7 Conclusion ...................................................................................................................... 123
IV
Contrôle-Commande du procédé......................................................................................... 125
IV.1 Introduction ................................................................................................................... 126
IV.2 Etat de l’a(cid:396)t du (cid:272)o(cid:374)t(cid:396)ôle-commande du procédé de projection laser ................................. 126
IV.3 Stratégie adoptée ........................................................................................................... 131
IV.4 Rappel sur la commande robuste .................................................................................... 132
IV.4.1 Le problème standard ...................................................................................... 132
IV.4.2 Stabilisation et performance robustes ..................................................................... 133
∞
IV.5 Application de la commande sur le procédé .............................................................. 134
∞
vi
IV.5.1 Commande de la largeur du bain ............................................................................. 134
IV.5.1.1 Les ON/OFF laser – Controleur anti-Windup ............................................................... 136
IV.5.1.2 Contrôle de la largeur sur un mur ............................................................................... 137
IV.5.1.3 Robustesse en suivi de trajectoire............................................................................... 138
IV.5.1.4 Rejet de perturbations ................................................................................................ 139
IV.5.1.5 Correction des effets des défauts géométriques de la pièce ...................................... 140
IV.5.1.6 Correction des effets des défauts de positionnement du substrat ............................. 141
IV.5.1.7 Correction des effets des défauts de centrage de la buse .......................................... 142
IV.5.2 Commande de la hauteur du bain ............................................................................ 142
IV.5.3 Analyse des interactions et commande multivariable ............................................... 143
IV.5.3.1 Rappel des interactions possibles entrées-sorties ...................................................... 143
IV.5.3.2 M(cid:288)thodes d(cid:859)a(cid:374)al(cid:455)se des i(cid:374)te(cid:396)a(cid:272)tio(cid:374)s ......................................................................... 144
IV.5.3.3 Identifications de la matrice de transfert .................................................................... 148
IV.5.3.4 Analyse des interactions .............................................................................................. 149
IV.5.3.5 Application et résultats ............................................................................................... 150
IV.5.4 Vers la commande multi modèles – gain scheduling ................................................. 151
IV.5.4.1 Robustesse aux variations de paramètres et analyse du domaine de stabilité .......... 151
IV.6 Conclusion ...................................................................................................................... 153
Conclusions et perspectives ........................................................................................................ 155
Bibliographie ............................................................................................................................. 161
vii
Introduction générale
I(cid:374)t(cid:396)odu(cid:272)tio(cid:374) gé(cid:374)é(cid:396)ale