Fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre de pièces à parois fines pour des applications de stockage d'énergie

Metal Additive Manufacturing by Laser Powder Bed Fusion of Thin-Walled Parts for Energy Storage Applications

• Auteur / Autrice : Maxime Maurin
• Direction : Christophe Desrayaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 14/04/2025
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : SIS - Sciences Ingénierie Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGF - Laboratoire Georges Friedel

Mots clés

Mots clés libres

Lpbf

316l

Parois minces

Lpbf

316l

Thin walls

Résumé

Cette thèse CIFRE, menée en partenariat entre Wallace Technologies et l'École des Mines de Saint-Étienne, étudie l'optimisation de la fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) pour des échangeurs thermiques à parois fines. La fabrication d'échangeurs de chaleur par L-PBF constitue un domaine en développement. Cette technologie permet de concevoir des géométries complexes difficilement réalisables par méthodes conventionnelles. Plusieurs défis techniques restent à résoudre : la production d'éléments minces (<300 µm) présente des risques de distorsions et fissures ; le contrôle des états de surface internes des canaux influence directement les performances thermiques et hydrauliques ; la fabrication multi-lasers, nécessaire pour les grandes pièces, introduit des problématiques spécifiques dans les zones de recouvrement qui affectent la microstructure et les propriétés mécaniques. Ces verrous limitent actuellement l'industrialisation de tels composants à grande échelle. Le projet s'articule autour de quatre axes : 1. Fabrication de parois fines en L-PBF : développement de paramétries pour obtenir des parois d'environ 300 µm avec qualité matière et précision géométrique contrôlées pour des échangeurs de dimensions supérieures aux prototypes actuels. Les analyses métallographiques et tomographiques permettront de caractériser la santé matière et la précision dimensionnelle. 2. Étude des technologies multi-lasers : optimisation des zones de recouvrement pour garantir la densité maximale des parois fines. La caractérisation des porosités, microstructures et contraintes résiduelles dans ces zones permettra de développer des paramétries adaptées. Différentes stratégies comme les couches d'homogénéisation seront testées pour assurer l'intégrité des zones de jonction. 3. Corrélation entre rugosité et performances thermiques : étude de l'influence des états de surface des canaux internes sur les propriétés d'échanges thermiques. Les paramètres de contour et les stratégies de balayage seront modulés pour contrôler la rugosité et évaluer son impact sur la conductivité thermique. 4. Gestion du recyclage des poudres : analyse du vieillissement des poudres d'acier 316L au cours des cycles de fabrication pour établir des protocoles de contrôle assurant la répétabilité du procédé en contexte industriel. La méthodologie combine la fabrication d'échantillons simples pour l'optimisation paramétrique, d'éprouvettes normalisées pour la caractérisation des propriétés, et de prototypes d'échangeurs pour la validation fonctionnelle.

This CIFRE thesis, conducted in partnership between Wallace Technologies and the École des Mines de Saint-Étienne, studies the optimization of metal additive manufacturing using laser powder bed fusion (L-PBF) for thin-walled heat exchangers. The manufacture of heat exchangers using L-PBF is a developing field. This technology makes it possible to design complex geometries that are difficult to achieve using conventional methods. Several technical challenges remain to be solved: the production of thin elements (<300 µm) presents risks of distortion and cracking; controlling the internal surface conditions of the channels directly influences thermal and hydraulic performance; multi-laser manufacturing, which is necessary for large parts, introduces specific problems in overlapping areas that affect the microstructure and mechanical properties. These obstacles currently limit the large-scale industrialization of such components. The project is structured around four areas: 1. Manufacturing of thin walls using L-PBF: development of parameters to obtain walls of approximately 300 µm with controlled material quality and geometric precision for exchangers larger than current prototypes. Metallographic and tomographic analyses will be used to characterize material health and dimensional accuracy. 2. Study of multi-laser technologies: optimization of overlap areas to ensure maximum density of thin walls. Characterization of porosity, microstructures, and residual stresses in these areas will enable the development of appropriate parameters. Various strategies, such as homogenization layers, will be tested to ensure the integrity of the junction areas. 3. Correlation between roughness and thermal performance: study of the influence of the surface conditions of internal channels on heat exchange properties. Contour parameters and scanning strategies will be modulated to control roughness and evaluate its impact on thermal conductivity. 4. Powder recycling management: analysis of the aging of 316L steel powders during manufacturing cycles to establish control protocols ensuring process repeatability in an industrial context. The methodology combines the manufacture of simple samples for parametric optimization, standardized test specimens for property characterization, and prototype exchangers for functional validation.