Optimisation du procédé de microfraisage par électro-érosion de composants en carbure de tungstène et caractérisation des propriétés mécaniques induites.

Process optimisation of tungsten carbide components realised by micro electro discharge milling and characterization of the induced mechanical properties.

• Auteur / Autrice : Julien Monnet
• Direction : Sébastien Thibaud, Fabrice Richard, Yves Gaillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Poulachon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Thibaud, Fabrice Richard, Yves Gaillard, Gérard Poulachon, Karl Debray, Sylvain Meille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karl Debray, Sylvain Meille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de tungstène

Micromécanique (ingénierie)

Micro-fabrication

Mots clés libres

Micro fraisage par électro-Érosion

Optimisation de procédé

Plan d'expériences

Carbure de tungstène

Ténacité

Élasticité

Micro electro discharge machining

Process optimisation

Design of experiments

Tungsten carbide

Fracture toughness

Elasticity

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de la réalisation de composants micromécaniques par micro-fraisage par électroérosion (µEDM) et sur l’évaluation des propriétés mécaniques induites par le procédé. La réalisation de microcomposants avec des propriétés mécaniques élevées en terme de dureté ou d’élasticité répond à un essor important des systèmes miniaturisés.La première partie de ces travaux s’intéresse à l’optimisation des paramètres de contrôle du procédé. L’étude menée a pu démontrer la faisabilité de composants micromécaniques en carbure de tungstène à matrice cobalt (WC-Co) par le procédé de micro-fraisage par électroérosion. La mise en place d’une méthode de type plan d’expériences a permis d’identifier les paramètres les plus influents.La seconde partie de ces travaux concerne l’étude des propriétés mécaniques de composants à l’échelle micrométrique. L’objectif visé étant de vérifier l’impact du procédé d’érosion sur les propriétés d’élasticité et de ténacité. Une méthodologie de tests a été élaborée. Un test de caractérisation de la ténacité est développé. Des micro-poutres réalisées par µEDM et entaillées par faisceau d’ions focalisés sont sollicitées sur une cellule de nano-indentation. A l’aide de la charge à rupture observée, un facteur d’intensité de contrainte est ensuite identifié par l’intermédiaire d’un modèle numérique par éléments finis 2D.Enfin, un démonstrateur est fabriqué. Il met en œuvre un composant élastique en carbure de tungstène : un sautoir de mouvement horloger. A partir de ce démonstrateur une étude par corrélation d’images est réalisée et associée à un modèle de type poutre de Bernoulli. Les résultats obtenus sont comparés à une simulation numérique du comportement du sautoir. Ces résultats permettent de valider la bonne qualité de la simulation numérique. Cette méthode de corrélation d’images mise en œuvre peut également être envisagée pour réaliser un suivi de santé d’un composant en service ou encore l’évaluation de ses propriétés élastiques.

This thesis focuses on the study of micromechanical components realization by micro-milling electro discharge machining (µEDM) and on the evaluation of the mechanical properties induced by this process. The production of micro-components with high mechanical properties in terms of hardness or elasticity responds to a significant demand increase on miniaturized systems.The first part of this work focuses on the optimization of process control parameters. The study demonstrate the feasibility of manufacturing micromechanical components made of tungsten carbide (WC-Co) by µEDM. The implementation of a design-of-experiment method allowed us to identify the most influent parameters.The second part of this work concerns the study of the component mechanical properties on a micrometer scale. The objective is to verify the erosion process impact on the elasticity and toughness properties. A test methodology is designed. A tenacity characterization test is developed: microbeams, made by µEDM and notched by focused ion beams, are loaded on a nano-indentation cell. Using the observed failure load, a critical stress intensity factor is then identified using a 2D finite element numerical model.Finally, a demonstrator is manufactured. It uses an elastic component made of tungsten carbide: a watch movement beam spring. From this demonstrator, an image correlation study is done and associated with a Bernoulli beam model. The results obtained are compared to a numerical simulation of the beam spring’s behaviour. These results validate the good quality of the numerical simulation. This image correlation method can also be used to monitor the health of a component in service, or to evaluate its elastic properties.