Structures cellulaires 3D en alliages nickel-titane : fabrication additive 3D, caractérisation et simulation

3D Foam Structures Nickel-Titanium Alloys : 3D Additive Manufacturing, Characterization and Simulation

• Auteur / Autrice : Hong Wang
• Direction : Abel Cherouat, Thierry Barrière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 03/07/2023
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : China scholarship council
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Automatic mesh generation and advanced methods / Gamma3 - Femto-St
• Jury : Président / Présidente : Hanlin Liao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abel Cherouat, Thierry Barrière, Hanlin Liao, Tarak Ben Zineb, Mohamed Sahli, Nathalie Boudeau, Gang Cheng, Zhenming Yue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tarak Ben Zineb, Mohamed Sahli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plan d'expérience

Simulation par ordinateur

Impression 3D

Extrusion (mécanique)

Alliages à mémoire de forme

Mots clés libres

Alliages à mémoire de forme

Extrusion (mécanique)

Impression 3D

Simulation par ordinateur

Plan d'expérience

Shape memory alloys

Extrusion process

Three-dimensional printing

Computer simulation

Experimental design

Résumé

Les alliages à mémoire de forme Nickel titane NiTi (AMF) jouent un rôle essentiel dans le développement de nouveaux dispositifs médicaux, de l'aérospatiale et de la robotique. Cependant, les AMF NiTi disponibles sur le marché sont presque limités aux fils, aux petites feuilles et aux revêtements. Cette restriction est principalement due à la difficulté de traiter le NiTi par les processus conventionnels. Ainsi, l'objectif de cette étude est d'évaluer le potentiel de l'une des routes les plus prometteuses pour la fabrication additive de structures en NiTi - l'extrusion de matériau à partir de granulés (MEX). L'optimisation des différentes étapes du processus est obligatoire pour éviter les défauts structurels et compositionnels. Dans cette étude, une matière première granulée à base d'acide polylactique biodégradable hautement remplie de poudre fine NiTi est développée. Les paramètres d'impression sont optimisés sur des critères de qualité de surface, de porosité et de résistance mécanique à la compression. De plus, un modèle de simulation numérique utilisant la méthode Level Set est développé dans le logiciel COMSOL Multiphysics pour simuler le gonflement de l'extrudat et les champs physiques pendant le processus de MEX en combinant les propriétés thermiques et rhéologiques caractérisées expérimentalement. Les structures cellulaires mise en forme par cette méthode MEX montre son potentiel flexible de fabrication de structures cellulaires en AMF NiTi.

NiTi Shape Memory Alloys (SMAs) are critical in the development of innovative medical devices, aerospace technology, and robotics. However, the NiTi SMAs currently available in the market are largely limited to wires, small sheets, and coatings due to the challenges associated with processing NiTi through conventional methods. This study aims to evaluate the potential of material extrusion (MEX), one of the most promising processes for additive manufacturing of porous NiTi structure. To avoid structural and compositional defects, optimizing the various processing steps (feedstocks preparation, 3D printing, debinding and sintering) is essential. In this study, a highly filled feedstock based on biodegradable polylactic acid is developed, and the additive printing parameters are optimized for surface quality, porosity, and compression strength. Computational fluid dynamics using the level set method is developed in COMSOL Multiphysics software to simulate the extrudate swell and physical fields during the MEX process, incorporating the experimentally characterized thermal and rheological properties. Our results demonstrate that MEX holds great potential for the flexible manufacturing of porous NiTi SMAs structures.