Couplage de la stéréolithographie et du frittage par micro-ondes pour l'élaboration rapide de pièces céramiques en alumine et zircone

Coupling of stereolithography and microwave sintering for the rapid processing of alumina and zirconia ceramic parts

• Auteur / Autrice : Hugo Curto
• Direction : Florian Jean, Anne Leriche, Anthony Thuault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 10/06/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux céramiques et procédés associés (Maubeuge, Nord ; 1998-2021)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Marinel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florian Jean, Anne Leriche, Anthony Thuault, Jean-Marc Chaix, Thierry Chartier, Marion Dehurtevent, Fabrice Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Chaix, Thierry Chartier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Frittage (métallurgie)

Céramique industrielle

Mots clés libres

Stéréolithographie

Fabrication additive

Frittage par micro-Ondes

Frittage rapide

Alumine

Zircone

Composite

Stereolithography

Additive manufacturing

Microwave sintering

Rapid sintering

Alumina

Zirconia

Composite

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration rapide de pièces céramiques de formes complexes. L’alumine, la zircone, et les composites alumine-zircone présentent un vaste champ d’applications allant de la joaillerie au biomédical en passant par des applications thermostructurales. Afin d’élaborer rapidement des pièces, une approche couplant deux techniques est considérée : la stéréolithographie (SLA) pour la mise en forme des pièces par fabrication additive et le frittage par micro-ondes (MO) monomode pour la densification rapide des pièces. Dans cette optique, les massifs élaborés sont caractérisés tant du point de vue mécanique, que du point de vue microstructural. Dans ce contexte, trois études sont menées. La première porte sur l’alumine et met en évidence qu’un mélange de deux nuances de granulométries différentes est indispensable pour mener à bien le couplage des deux techniques. Dans la seconde étude, des pièces de zircone de grandes dimensions mises en forme par SLA sont frittées par MO dans un dispositif original, permettant le frittage de trois objets simultanément. Enfin, des composites mis en forme de manière conventionnelle (pressage) présentent des propriétés mécaniques supérieures lors du frittage par MO par rapport au frittage conventionnel. Ce travail montre que pour l’ensemble des matériaux étudiés : (i) le couplage des techniques mène à des propriétés similaires à celles obtenues après mise en forme et frittage conventionnels ; (ii) le frittage par MO permet un gain de temps allant jusqu’à 94% par rapport au frittage conventionnel ; (iii) les pièces mises en forme par SLA présentent des propriétés équivalentes à celles obtenues par mise en forme conventionnelle

This thesis work focuses on the rapid processing of complex-shaped ceramic parts. Alumina, zirconia, and alumina-zirconia composites have a wide range of applications from jewellery to biomedical and thermostructural applications. In order to process parts quickly, stereolithography (SLA) as a shaping method and single-mode microwave (MW) sintering for the densification of the parts are coupled. To improve the coupling, experimental parameters are set up and optimized after mechanical and microstructural characterizations. Within this framework, three main studies are conducted. The first study deals with alumina and highlights that a mix of two granulometry grades of alumina has to be used to achieve the coupling. In the second study, large-sized zirconia parts are shaped by SLA. An original device is used to realise the MW sintering of three samples simultaneously. Finally, alumina-zirconia composites are conventionally shaped (pressing) and exhibit higher mechanical properties when MW sintered, in comparison with conventional sintering. For all the investigated materials, this work shows that: (i) coupling SLA and MW sintering leads to similar properties than those obtained by conventional shaping and sintering. Moreover, this coupling permits to obtain pieces with complex geometry; (ii) MW sintering allows up to 94% timesaving process in comparison with conventional sintering; (iii) mechanical properties of SLA-shaped parts are close to those obtained after conventional shaping (pressing)