Imprimabilité de pâtes céramiques par robocasting : Applications aux matériaux denses et multimatériaux

Printability of ceramics paste : Applications to dense mono and multi materials

• Auteur / Autrice : Mathilde Maillard
• Direction : Jérôme Chevalier, Laurent Gremillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 12/04/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Didier Bouvard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Chevalier, Laurent Gremillard, Didier Bouvard, Ghislaine Bertrand, Fabrice Petit, Julie Bourret, Florian Bouville, Vincent Garnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghislaine Bertrand, Fabrice Petit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Prototypage rapide

Imprimabilité

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Matériaux

Céramique

Imprimabilité

Fabrication additive

Rhéologie

Robocasting

Matériau céramique

Propriété rhéologique

Matériaux denses

Materials

Ceramic

Printability

Additive Manufacturing

Rheology

Robocasting

Ceramic material

Rheological parameters

Denses materials

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif d'élaborer des pièces céramiques denses mono et multi-matériaux ayant des architectures complexes. Ces architectures sont réalisées à l'aide d'une technologie de fabrication additive d'extrusion de pâtes céramiques à travers une fine seringue (DIW : robocasting). Ce travail de recherche est financé par le projet ANR CERAPIDE qui a pour objectif la réalisation de pièces céramiques plus rapidement et en consommant moins d'énergie, de sa formulation jusqu'aux étapes de post traitements thermiques. Ainsi, les formulations des pâtes sont optimisées en adaptant les additifs et leurs quantités dans le but d'obtenir des pâtes homogènes, sans défauts et ayant les propriétés rhéologiques nécessaires pour l'impression. Une pâte céramique doit entre autres disposer d'un comportement rhéofluidifiant tout en disposant d'une contrainte seuil élevée pour pouvoir être imprimée par empilement successif de couches. La maitrise rhéologique et l'optimisation des formulations permettent d'imprimer des pièces denses avec des propriétés mécaniques améliorées. Le changement d'additif permet de modifier l'état de surface des pièces denses et donc de modifier les propriétés mécaniques des pièces. La définition de l'imprimabilité des pâtes céramiques est étudiée pour comprendre les relations entre les propriétés microstructurales, environnementales et technologiques. Ainsi, les paramètres d'impressions doivent être sélectionnés en fonction des propriétés finales souhaitées pour la pièce imprimée. La compréhension de tous ces paramètres permet d'élaborer des pièces en alumine ayant une moyenne de contrainte à la rupture de 350 MPa sans étapes de polissage.

The main goal of this thesis is to elaborate dense single and multi-material ceramic parts with complex architectures. These architectures are realized using an additive manufacturing technology of extrusion of ceramic pastes through a fine syringe (DIW : robocasting). This research work is financed by the ANR CERAPIDE project, which aims to produce ceramic parts more quickly and with less energy consumption, from formulation to post heat treatment stages. Thus, the formulations of the pastes are optimized by adapting the additives and their quantities in order to obtain homogeneous pastes, without defects and having the rheological properties necessary for printing. Among other things, a ceramic paste must have be shear-thinning while having a high yield stress to be able to be printed by successive stacking of layers. The rheological control and the optimization of the formulations allow to print dense parts with improved mechanical properties. The change of additive allows to modify the topography of the dense parts and thus to modify the mechanical properties of the parts. The definition of printability of ceramic pastes is studied to understand the relationships between microstructural, environmental and technological properties. Finally, the printing parameters must be selected according to the final properties desired for the printed part. The understanding of all these parameters allows the development of alumina parts with an average stress at break of 350 MPa without polishing steps.