Thèse soutenue

Compréhension et modélisation des physiques gouvernant la mise en forme de polymères fortement chargés en poudres métalliques par le procédé de fabrication additive dépôt de fil

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Auteur / Autrice : Alexis Theze
Direction : Gilles RégnierAlain GuinaultSébastien Richard
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
Date : Soutenance le 07/12/2021
Etablissement(s) : Paris, HESAM
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
Jury : Président / Présidente : Jérémie Soulestin
Examinateurs / Examinatrices : Gilles Régnier, Alain Guinault, Sébastien Richard, Anaïs Barasinski, Thierry Barrière, Christophe Colin, Francisco Chinesta
Rapporteur / Rapporteuse : Anaïs Barasinski, Thierry Barrière

Mots clés

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Résumé

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Le MIM (Metal Injection Molding) est un procédé de fabrication alliant plasturgie et métallurgie des poudres. Un mélange de poudres métalliques et de liants thermoplastiques (dit feedstock), est injecté dans un moule pour obtenir la pièce dite verte. Le liant, ne servant que de vecteur de mise en forme, est ensuite partiellement extrait puis pyrolysé par des opérations dites de déliantage. Finalement, les poudres métalliques sont frittées à haute température pour obtenir une pièce métallique dense. Si le procédé MIM est particulièrement adapté à la grande série et aux petites pièces métalliques, la réalisation de la pièce verte par le procédé de dépôt de fil (FFF -Fused Filament Fabrication) permet de répondre à la demande de prototype et de petites séries. Cependant, le développement de cette technique n’est pas encore abouti ; en effet, la fabrication additive des pièces vertes par le procédé FFF est à ce jour limitée par des problématiques liées au manque d’adhésion entre les couches et à des déformations géométriques induites par le procédé.Pour répondre à ces difficultés, la démarche adoptée a consisté à faire dialoguer un banc instrumenté et une simulation thermique en 2D du procédé à l’échelle du cordon. Une simulation thermique basée sur la technique numérique des différences finies a permis de prédire l’évolution temporelle de la température du cordon et de son interface avec le substrat dans les premiers instants après le dépôt. Le modèle thermique développé prend en compte la cinétique de cristallisation du liant, les échanges convectifs, les résistances de contact à l’interface et le rayonnement thermique émis par la buse lors du dépôt. Le temps de diffusion des macromolécules à l’interface a été estimé par la mesure du temps de relaxation terminal du liant grâce à des essais rhéologiques réalisés sur la matrice. Ce temps de diffusion qui est de l’ordre de la milliseconde permet de considérer ce phénomène comme quasi-instantané devant les temps de refroidissement. L’analyse paramétrique du modèle numérique nous a permis d’identifier une fenêtre procédé garantissant une bonne adhésion entre les couches déposées. Finalement, cette fenêtre a été validée en réalisant des essais de cisaillement à l’échelle du cordon au moyen d’un dispositif spécifiquement conçu à cet effet.Les essais d’impression ont montré que les balayages successifs du dépôt de fil engendrent des retraits thermiques anisotropes liés à une solidification continuellement décalée dans le temps. Ainsi des contraintes liées à des potentiels retraits contrariés du feedstock se développent, mais peuvent se relaxer dans une certaine mesure. Des mesures in situ lors du dépôt de fil ont permis de suivre l’établissement des déformations tout au long du processus d’impression. Grâce à ces mesures, nous avons identifié la température d’enceinte pour laquelle ces déformations étaient minimales. Puis, une étude de la relaxation des contraintes en DMTA a permis d’identifier les conditions de mise en œuvre qui maximisent la relaxation des contraintes thermiques au cours du procédé pour finalement réduire les déformations et les contraintes résiduelles dans les pièces vertes. Enfin, la méthodologie développée dans ces travaux peut être étendue à d’autres matériaux semi-cristallins mis en œuvre par le procédé FFF.