Modélisation et optimisation du comportement thermomécanique des pièces métalliques obtenues par frittage : Approche numérique et expérimentale.

Modeling and optimization of the thermomechanical behavior of metal partsobtained by sintering : Numerical and experimental approach.

• Auteur / Autrice : Judice Cumbunga
• Direction : Said Abboudi, Samuel Gomes, Dominique Chamoret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique appliquée
• Date : Soutenance le 27/03/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne [Dijon] / LICB
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard
• Jury : Président / Présidente : François Lanzetta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Said Abboudi, Samuel Gomes, Dominique Chamoret, Jean-Michel Bergheau, Jean-Gabriel Bauzin, Sudipta Biswas, Jone Heitor Sebastião
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Bergheau, Jean-Gabriel Bauzin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion

Métaux

Prototypage rapide

Éléments finis, Méthode des

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Frittage à l'état solide

Fabrication additive par extrusion de métal

Évolution microstructurale

Couplage multiphysique

Méthode des éléments finis

Acier inoxydable 316

Solid-State sintering

Metal extrusion additive manufacturing

Microstructural evolution

Multiphysics coupling

Finite element method

Stain steel 316L

Résumé

Le procédé de frittage sans pression à l'état solide est un traitement thermique appliqué pour améliorer ou ajuster les propriétés du matériau en fonction de son domaine d’application, compte tenu de sa capacité à traiter des pièces à géométrie complexe, de sa grande précision dimensionnelle, de ses petites dimensions et de son adéquation aux matériaux doux et durs. Cependant, la modélisation de ce type de procédé s’avère une tâche difficile, car un modèle approprié doit prendre en compte différents aspects, à savoir le caractère multi-échelle et multiphysique du problème, la forte non-linéarité du matériau, la complexité des géométries et enfin la nature des conditions aux limites, etc. Sur le plan industriel, les paramètres de traitement thermiques appropriés sont principalement obtenus par essais. La simulation numérique permet de réduire les coûts de ces essais et de fournir des prévisions ou des recommandations plus utiles pour la production réelle, que les essais de frittage proprement dits. De nombreux travaux de recherche ont été consacrés aux développements de modèles mathématiques et numériques avec des approches adaptées à différents niveaux ou échelles, tels que la petite échelle (niveau atomique), la méso-échelle (niveau des particules, des grains et des pores), et l'échelle du continuum (niveau des composants). La capacité et la maitrise de pouvoir prédire l'évolution de la microstructure ont placé le modèle mésoscopique (au niveau des particules, des grains et des pores) devant les autres.Sur le plan recherche, la question posée serait donc "Étant donné une pièce brute obtenue par MExAM, comment simuler numériquement l'évolution de la microstructure (à partir d’un état microstructural initial) pour contrôler les changements dans les propriétés thermomécaniques pendant le processus de frittage à l'état solide ?"Un modèle de calcul robuste, basé sur une approche multiphysique et multiéchèle, a été développé, testé et validé. Il permet la prédiction des évolutions de la microstructure et des grandeurs thermiques et mécaniques du matériau. Le modèle repose sur la méthode des éléments finis et prend en compte de manière progressive les couplages multiphysiques (thermique, mécanique et microstructure) influant sur le comportement du matériau. Un traitement particulier a été étudié pour la prise en compte des phénomènes non linéaires. Les résultats des différentes simulations ont montré que le modèle développé est capable de prédire avec une précision correcte le comportement du processus de frittage. Le cas particulier du comportement du matériau pour le MExAM a été présentée, ainsi que la manière d'utiliser le modèle pour optimiser ses propriétés thermomécaniques. L'optimisation a été réalisée en couplant les résultats des différentes simulations avec la méthode Taguchi. Il faut souligner que les résultats obtenus à partir de l'analyse des propriétés des matériaux témoignent de la réussite de l'application du modèle, tant du point de vue de la prévision du comportement microstructural et thermomécanique du matériau, que du point de vue de l'optimisation de ses propriétés.

The pressureless solid-state sintering process is a thermal treatment applied to improve or adjust material properties according to its field of application, given its ability to handle parts with complex geometries, high dimensional accuracy, small dimensions and suitability for soft and hard materials. However, modeling this type of process proves to be a difficult task, as an appropriate model needs to take into account various aspects, namely the multi-scale and multi-physics character of the problem, the high non-linearity of the material, the complexity of the geometries and, last but not least, the type of boundary conditions. From an industrial point of view, the appropriate heat treatment parameters are mainly obtained by trial and error. Numerical simulation makes it possible to reduce the cost of these tests and to provide more useful predictions or recommendations for actual production, than sintering tests themselves. Numerous research projects have been devoted to the development of mathematical and numerical models with approaches adapted to different levels or scales, such as the small scale (atomic level), the meso-scale (particle, grain and pore level), and the continuum scale (component level). The ability to predict the evolution of microstructure has put the mesoscopic model (at particle, grain and pore level) ahead of the others.In research terms, the question posed would therefore be "Given a untreated part obtained by MExAM, how can we numerically simulate the evolution of the microstructure (from an initial microstructural state) to control changes in thermomechanical properties during the solid-state sintering process ?"A robust computational model, based on a multiphysics and multi-scale approach, has been developed, tested and validated. It enables us to predict the evolution of the material's microstructure, thermal and mechanical properties. The model is based on the finite element method, and progressively takes into account the multiphysical couplings (thermal, mechanical and microstructure) that influence the material's behavior. Special considerations have been given to the integration of non-linear phenomena. The results of the various simulations have shown that the model developed is capable of predicting the behavior of the sintering process with correct accuracy. The special case of material behavior for MExAM was presented, as well as how to use the model to optimize its thermomechanical properties. Optimization was achieved by coupling the results of the various simulations with the Taguchi method. It should be noted that the results obtained from the analysis of material properties confirm the successful application of the model, both in predicting the microstructural and thermomechanical behavior of the material, and in optimizing its properties.