Compréhension et optimisation des premières étapes jusqu’au déliantage du procédé de Metal Binder Jetting pour la fabrication additive indirecte de pièces aéronautiques en IN718

Understanding and optimization of the first steps of the Binder Jetting Metal process until debinding for the indirect additive manufacturing of aeronautical parts in IN718

• Auteur / Autrice : Benjamin Sangouard
• Direction : Marie-Hélène Berger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Missiaen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Hélène Berger, Denis Messager, Katia Mocellin, Christophe Colin, Xavier Boulnat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Grossin, Olivier Bonnefoy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séchage

Impression 3D

Évaporation

Réticulation (polymérisation)

Prototypage rapide

Mots clés libres

Metal Binder Jetting

Impression

Séchage

Evaporation

Réticulation

Déliantage

Saturation

Fabrication additive

Metal Binder Jetting

Printing

Drying

Evaporation

Cross-linking

Debinding

Saturation

Additive manufacturing

Résumé

Cette thèse s’est concentrée sur le matériau IN718 et sur les premières étapes du procédé Métal Binder Jetting jusqu’au déliantage. Après l’établissement d’un cahier des charges de la poudre et du liant, basé sur un grand nombre de mesures expérimentales, un modèle à 4 gouttes a été proposé afin de rendre compte de l’étalement de la goutte après impact, du recouvrement latéral entre gouttes jusqu’à leur infiltration dans le lit de poudre. Un coefficient β a été mesuré par les méthodes de la goutte pendante et de la goutte posée pour caractériser l’étalement de la goutte sur le lit de poudre. Cet étalement est important pour assurer la continuité de la surface infiltrée par chaque goutte de liant. Après une analyse du logiciel de la machine Innovent+ d’ExOne, une cartographie du procédé a été réalisée permettant à l’opérateur de choisir la meilleure paramétrie (saturation, épaisseur de couche, température de séchage) adaptée à la forme de la pièce, tout en optimisant le temps d’impression, la contrainte à la rupture et la déformation du réticulé. Un critère αimp,= 1 a été proposé, assurant un étalement identique des gouttes à la surface du lit de poudre dans les deux directions. Aussi, une réflexion sur un nouveau logiciel de commande plus simple et avec plus de variables imposées a été menée. Une méthode surfacique de mesure de la saturation d’ExOne, grandeur clé du procédé, a été proposée. Cette méthode présente l’avantage de se baser sur des grandeurs facilement mesurables mais associées à une forte dispersion. Aussi, une seconde méthode de mesure bien plus fiable et s’adaptant à tout type de machine a été mise en place. Elle présente l’énorme avantage d’être une méthode volumique plutôt que surfacique car elle est basée sur la perte de masse en polymère du réticulé, mesurée par analyse thermo-gravimétrique. L’importance de la saturation et notamment du recouvrement dans les trois directions de chaque volume infiltré par chacune des gouttes projetées, est mise en évidence par l’étude de l’impact des paramètres opératoires sur la qualité des pièces après réticulation. La qualité du réticulé est ici définie par ses propriétés mécaniques et le respect des cotes par rapport au fichier CAO. Il est démontré que la profondeur infiltrée est bien souvent supérieure à l’épaisseur de couche choisie par l’opérateur, mettant à mal la saturation définie par ExOne. Cette profondeur dépend entre autres du choix de la saturation et de la température de séchage. C’est pourquoi les cinétiques de séchage et d’infiltration du liant ont été évaluées. L’existence de ces recouvrements et d’une possible réinfiltration des volumes précédemment infiltrés par les gouttes, d’une couche sur l’autre, font que la répartition en volume du polymère est nécessairement hétérogène dans le réticulé. Ces recouvrements doivent être gérés par la température de séchage à saturation fixée afin d’éviter l’excès de liant lors de l’impression, à l’origine de la distorsion des pièces réticulées. L’impact d’autres paramètres que la saturation sur les propriétés mécaniques du réticulé comme le sens d’impression, la température de séchage et de réticulation ainsi que le temps de réticulation est ensuite présenté. Enfin, un modèle cinétique de déliantage est proposé permettant d’optimiser le cycle thermique assurant une totale pyrolyse du polymère sans altérer la pièce (absence d’oxydes et de résidus carbonés). L’ensemble de ces résultats permet d’assurer une bonne qualité des pièces réticulées et minimise les risques pour leur frittage ultérieur.

This PhD focused on the IN718 alloy and the first steps of the Metal Binder Jetting process until debinding. After the setting of powder and binder specifications, based on many experimental measurements, a 4-drop model was proposed to account for the droplet spreading after impact, from the lateral covering between drops up to their infiltration into the powder bed. A β coefficient was measured by the dangling and laying droplet methods to characterize the spreading of the droplet on the powder bed. This spreading is important to ensure the continuity of the surface infiltrated by each drop of binder. After an analysis of ExOne's Innovent+ machine software, a process map was carried out allowing the operator to select the best parameters (saturation, layer thickness, drying temperature) adapted to the shape of the part, while optimizing the printing time, the fracture stress, and the deformation of the cross-linked. A criterion αimp = 1 was proposed, ensuring an identical spreading of the drops on the surface of the powder bed in both directions. Also, a reflection on a new control software simpler and with more imposed variables was conducted. A surface method for measuring the saturation of ExOne, a key of the process, has been proposed. This method has the advantage of being based on quantities that are easily measurable but associated with a high dispersion. Also, a second measurement method much more reliable and adapted to any type of machine has been set up. It has the enormous advantage of being a volume method rather than a surface method because it is based on the loss of polymer mass of the cross linked part, also called “green part” , measured by thermo-gravimetric analysis. The importance of saturation and of the covering in the three directions of each volume infiltrated by each of the projected drops, is highlighted by the study of the impact of the operating parameters on the quality of the parts after cross-linking. The quality of the green part is here defined by its mechanical properties and the respect of the dimensions in relation to the CAD file. It is shown that the infiltrated depth is often greater than the layer thickness chosen by the operator, undermining the saturation defined by ExOne. This depth depends, among other things, on the choice of saturation and drying temperature. Therefore, the drying and infiltration kinetics of the binder were evaluated. The existence of these coverings and a possible reinfiltration of the volumes previously infiltrated by the drops, from one layer to another, mean that the volume distribution of the polymer is necessarily heterogeneous in the green part. These coverings must be managed by the drying temperature at fixed saturation, to avoid excess binder during printing, which causes the distortion of the cross-linked parts. The impact of parameters other than saturation on the mechanical properties of the cross-linked such as the direction of printing, the drying and cross-linking temperature as well as the cross-linking time is then presented. Finally, a kinetic model of debinding is proposed to optimize the thermal cycle ensuring a total pyrolysis of the polymer without altering the part (absence of oxides and carbon residues). All these results ensure good quality of the green parts and minimize the risks for their subsequent sintering.