Impression 3D de matériaux vitreux et composite pour la photonique

3D printing of glass and composite for photonic applications

• Auteur / Autrice : Inès Laurent
• Direction : Gaëlle Delaizir
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Inscription en doctorat le 27/09/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les Céramiques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IRCER AXE 3 ORGANISATION STRUCTURALE MULTI-ECHELLE DES MATERIAUX

Mots clés

Mots clés libres

Impression 3D

Fomulation

Verre

Polymérisation

3D Printing

Formulation

Glass

Polymerization

Résumé

Aujourd'hui, la fabrication additive FA (ou l'impression 3D) est vue non seulement comme un nouveau procédé d'élaboration des produits, mais aussi comme un vecteur structurant de l'usine du futur, apte à engendrer une nouvelle révolution industrielle. De plus la fabrication additive est en train de basculer du prototypage rapide vers un réel outil de production industriel pour de multiples matériaux (polymères, métalliques, céramiques). Le concept de prototypage rapide est issu principalement des avancées technologiques simultanées de la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) 3D, des développements informatiques à partir d'algorithmes géométriques – particulièrement du tranchage virtuel – et de la réalisation de pièces en 3D, couche par couche. Plusieurs techniques sont actuellement développées pour réaliser des objets 3D: la stéréolithographie, la technique « Fused Deposition Modeling », la technologie du frittage sélectif (SLS/M), etc. Toutes ces techniques permettent l'obtention de pièces de forme complexe à partir de fil (polymère, verre), de pâte/encre (céramique) ou de poudre (métal, céramique, verre, polymère, composite) avec ou sans post-traitements (déliantage, frittage, finition). L'impression 3D du verre débute en 2015 par les travaux du Massachussetts Institute of Technology (MIT) aux USA (robocasting haute température) [1] puis se poursuit avec les travaux du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en Allemagne avec l'impression de verre par stéréolithographie [2]. Aujourd'hui, de nombreuses équipes de recherche en France et dans le monde travaillent sur cette thématique. L'originalité de ce projet de thèse repose sur la fabrication et la conception d'objets 3D multi-verres ou composites (verre/cristaux) pour les composants optiques/préformes grâce à l'acquisition par l'IRCER d'une machine hybride stéréolithographie / microsdispensing en décembre 2022. Ce sujet de thèse consistera donc à formuler des pâtes et encres à partir de poudres de verre à base de silice (poudres commerciales ou synthétisées par sol-gel) et de nanocristaux afin qu'elles soient compatibles avec les procédés stéréolithographie et microdispensing. La maîtrise des différents paramètres liés à la poudre et à l'élaboration des pâtes/encres ainsi que ceux liés aux paramètres machines sera très importante. L'optimisation de la pièce en « cru » sera essentielle pour les post-traitements de frittage permettant la transparence du composant en verre. Les potentielles applications de l'impression 3D du verre concernent : 1- Les composants optiques : lentille à gradient d'indice, lames de phases, composant optique sur mesure. Il sera donc possible sur un seul support (verre) de réaliser des zones avec différentes fonctions (ex : lame π, π/2, π/4, etc). Ensuite, depuis quelques années, la notion d'ordinateur tout-optique stimule la communauté scientifique et de nombreuses recherches sont développées (ex : circuit optique, etc). La fabrication additive permettrait ainsi de réaliser certains composants et même si la résolution des techniques actuelles nécessite d'être améliorée, cette étude pourrait donc s'inscrire dans une logique de « proof of concept ». 2- Les préformes pour l'élaboration de fibres optiques vitreuses ou composites avec de nouvelles fonctionnalités.

Today, AM additive manufacturing (or 3D printing) is seen not only as a new product development process, but also as a structuring vector for the factory of the future, capable of generating a new industrial revolution. In addition, additive manufacturing is shifting from rapid prototyping to a real industrial production tool for multiple materials (polymers, metals, ceramics). The concept of rapid prototyping comes mainly from simultaneous technological advances in 3D Computer Aided Design (CAD), computer developments based on geometric algorithms – particularly virtual slicing – and the production of 3D parts, layer by layer. . Several techniques are currently being developed to produce 3D objects: stereolithography, the “Fused Deposition Modeling” technique, selective sintering technology (SLS/M), etc. All these techniques make it possible to obtain parts of complex shape from wire (polymer, glass), paste/ink (ceramic) or powder (metal, ceramic, glass, polymer, composite) with or without post-treatments ( debinding, sintering, finishing). 3D printing of glass began in 2015 with the work of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in the USA (high temperature robocasting) [1] then continued with the work of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Germany with the printing of glass by stereolithography [2]. Today, many research teams in France and around the world are working on this theme. The originality of this thesis project is based on the manufacture and design of multi-glass or composite 3D objects (glass/crystals) for optical components/preforms thanks to the acquisition by IRCER of a hybrid stereolithography machine / microsdispensing in December 2022. This thesis subject will therefore consist in formulating pastes and inks from silica-based glass powders (commercial powders or powders synthesized by sol-gel) and nanocrystals so that they are compatible with the processes stereolithography and microdispensing. The control of the various parameters related to the powder and the development of the pastes/inks as well as those related to the machine parameters will be very important. The optimization of the “raw” part will be essential for the sintering post-treatments allowing the transparency of the glass component. The potential applications of 3D glass printing concern: 1- Optical components: index gradient lens, phase plates, custom optical component. It will therefore be possible on a single support (glass) to produce zones with different functions (eg: blade π, π/2, π/4, etc.). Then, for a few years, the notion of all-optical computer stimulates the scientific community and many researches are developed (ex: optical circuit, etc). Additive manufacturing would thus make it possible to produce certain components and even if the resolution of current techniques needs to be improved, this study could therefore be part of a “proof of concept” logic. 2- Preforms for the development of vitreous or composite optical fibers with new functionalities.