Fabrication additive de pièces multi-matériaux en impression 3D par extrusion et frittage : études expérimentale et numérique

Additive manufacturing of multi-material parts by 3D extrusion printing and sintering: experimental and numerical studies

• Auteur / Autrice : Elsa Nouguier
• Direction : David Jauffrès
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MAT - Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Fabrication additive

Céramiques

Pièces multi-matériaux

Impression 3D par extrusion

Frittage

Métaux

3D extrusion printing

Ceramics

Additive manufacturing

Multi-material parts

Metals

Sintering

Résumé

La fabrication additive par extrusion 3D suivi d'une étape de frittage a le potentiel de produire des géométries complexes multi-matériaux métalliques et céramiques intéressantes pour plusieurs applications (par exemple intégration d'éléments chauffants, réduction des pertes dans les alliages ferromagnétiques par insertion de couches isolantes). Le procédé est polyvalent, rentable et basé sur des feedstock céramiques ou métalliques commerciaux développées pour le moulage par injection de poudre, un procédé établi industriellement. Les granulés de matière première, qui consistent en un système de liant polymère chargé d'une poudre de céramique ou de métal, sont introduits dans une extrudeuse à vis et déposés couche par couche par une buse chauffée, sous forme de filament. On peut ainsi obtenir une pièce complexe en 3D, qui sera ensuite déliantée et frittée. Un des défis de ce procédé est le contrôle de l'étape de frittage afin d'obtenir des pièces sans défaut et directement aux cotes. En effet, les densités inhomogènes, le retrait anisotrope ou le fluage par gravité sont difficiles à éviter. Dans le cas du co-frittage de pièces multi-matériaux, des défis supplémentaires s'ajoutent car des contraintes mécaniques apparaissent à cause de vitesses de frittage différentes et/ou, pendant le refroidissement, de retraits thermiques différents. Pour ces raisons, la démonstration de pièces multi-matériaux obtenues par extrusion 3D puis frittage est très rare dans la littérature. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail de thèse sont : - développer le procédé pour plusieurs matériaux céramiques et métalliques à partir de feedstocks commerciaux : optimisation des paramètres d'impression et de frittage, caractérisation microstructurale et mécanique des pièces finales. - étudier les étapes d'impression et de frittage pour un ou plusieurs systèmes bi-matériaux. - développer et calibrer une modélisation 3D par éléments finis de l'étape de frittage d'abord pour les mono-matériaux, puis pour prédire les effets de retraits différentiels dans les systèmes multi-matériaux. - démontrer la pertinence de l'approche par la réalisation d'une pièce complexe d'inspiration industrielle.

Additive manufacturing by 3D extrusion printing followed by sintering has the potential to produce complex metal and ceramic multi-material geometries interesting for several applications (e.g. embedded heating elements, reduction of losses in a ferromagnetic alloy by insertion of insulating layers). The process is versatile, cost effective and based on commercial ceramic or metal feedstock developed for powder injection molding, an industrially established process. Feedstock pellets, that consist in a polymeric binder system loaded with a ceramic or metal powder, are feeded in a screw-based extruder and deposited layer-by-layer in the form of a filament by a heated nozzle. A complex 3D part can be obtained and subsequently debinded and sintered. A challenging part in this process is the control of the sintering stage in order to obtain defect-free and net-shape parts. Indeed, inhomogeneous densities, anisotropic shrinkage or creep under gravity are difficult to avoid. In the case of co-sintering of multi-material parts, additional challenges arise from mechanical stresses that build up due to differential sintering rates and/or thermal shrinkage during cooling down. For these reasons, the demonstration of multi-material parts obtained by 3D extrusion followed by sintering is very scarce in the literature. In this context, the objective of the PhD work are: - develop the process for several ceramic and metal materials using commercial feedstock: optimization of printing and sintering parameters, microstructural and mechanical characterization of final parts. - investigate both printing and sintering stages for one or several bi-material systems. - develop and calibrate 3D FEM modeling of the sintering stage for first mono-materials and then to predict differential shrinkage effects in multi-material systems. - demonstrate the relevance of the approach by the realization of a complex industrially inspired part.