Relations entre paramètres d’un procédé d’impression 3D MIM-like et performances mécaniques de structures en acier inoxydable 316L

Relationship between MIM-like 3D printing process parameters and mechanical performance of 316L stainless steel structures

• Auteur / Autrice : Sophie Badin
• Direction : Denis Najjar, Vincent Magnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 02/12/2024
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle - Laboratoire de Mécanique- Multiphysique- Multiéchelle - UMR 9013 / LaMcube
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Panier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Najjar, Vincent Magnier, Cécile Langlade, Benoît Panicaud, Itziar Serrano Munoz, Jean-François Witz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Langlade, Benoît Panicaud
• DOI : 10.70675/451ca5e1z06c8z456dz97ddzc6f2a8b7a804

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Acier inoxydable austénitique

Propriétés mécaniques

Extrusion (mécanique)

Impression 3D

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Fabrication additive

Acier inoxydable

Extrusion

Frittage

Propriétés mécaniques

Microstructure

Additive manufacturing

Stainless steel

Extrusion

Sintering

Mechanical properties

Microstructure

Résumé

La fabrication additive métallique connaît un essor considérable depuis quelques années, avec des applications qui s’étendent dans divers secteurs, tels que l’aérospatial, l’automobile et le médical. Cependant, les procédés les plus répandus, comme la fusion sur lit de poudre, présentent des limitations notables, qu’elles soient d’ordre sécuritaire, en raison de l’utilisation de poudres métalliques volatiles, ou d’ordre économique, avec des coûts d’équipement et de fonctionnement élevés. Face à ces défis, de nouvelles technologies ont émergé, inspirées du procédé d'injection par moulage de poudres métalliques (MIM) et basées sur l'extrusion de matière. Ces technologies, souvent appelées « MIM-like », utilisent un mélange de polymères et de poudres métalliques, déposé couche par couche, suivi d'une étape de déliantage pour éliminer les polymères, puis d’un frittage visant à densifier la pièce finale.Ces innovations permettent de réduire significativement les coûts des équipements et d’éliminer les risques liés à la manipulation de poudres libres. Toutefois, le processus de déliantage et de frittage reste majoritairement réalisé dans des fours industriels coûteux, créant une contradiction avec l’objectif initial de réduction des coûts ; ou dans des équipements propriétaires, limitant les possibilités de recherche et de personnalisation des procédés.L’objectif principal de cette thèse est de développer une stratégie de frittage économique, adaptable à un four de laboratoire accessible, tout en garantissant des performances comparables à celles obtenues avec des procédés industriels. L’acier inoxydable 316L, largement étudié dans la littérature, a été retenu comme matériau d’étude, facilitant ainsi les comparaisons avec les travaux existants. Cet acier est habituellement fritté sous atmosphère d’hydrogène, un gaz hautement inflammable qui nécessite des dispositifs coûteux pour la détection de fuites et la gestion des risques. Par conséquent, des alternatives à l’hydrogène ont été explorées, notamment l’argon, l’azote, un mélange d’azote et d’hydrogène (90 % / 10 %), ainsi que le vide primaire. L’étude offre ainsi une vue d’ensemble des effets de ces différentes atmosphères de frittage sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces produites, en les comparant aux conditions industrielles et aux normes du procédé MIM.Enfin, l’un des grands atouts de la fabrication additive est de permettre la production de pièces complexes et allégées, impossibles à réaliser avec des procédés conventionnels. Alors que la majorité des recherches sur les procédés d’extrusion se concentre sur l’optimisation de pièces pleines, cette thèse se penche sur l’impression de structures allégées. Un motif de remplissage spécifique a été sélectionné, et l’influence de la densité de remplissage ainsi que du nombre de parois a été étudiée à travers des essais de flexion, analysés par corrélation d'images numériques. Ces expérimentations visent ainsi à fournir des lignes directrices pour le dimensionnement et l’optimisation de pièces structurelles imprimées

Metal additive manufacturing has experienced significant growth in recent years, with applications spreading across various sectors such as aerospace, automotive, and medical. However, the most common processes, like powder bed fusion, present notable limitations, whether due to safety concerns from using volatile metal powders; or economic challenges, with high equipment and operational costs. In response to these challenges, new technologies have emerged, inspired by the metal injection molding (MIM) process and based on material extrusion. These technologies, often referred to as 'MIM-like,' use a mixture of polymers and metal powders, deposited layer by layer, followed by a debinding stage to remove the polymers, and then sintering to densify the final part.These innovations significantly reduce equipment costs and eliminate the risks associated with handling unbound powders. However, the debinding and sintering processes are still mostly carried out in expensive industrial furnaces, contradicting the initial goal of cost reduction ; or in proprietary equipment, limiting research and customization possibilities.The primary objective of this thesis is to develop an economical sintering strategy, adaptable to an accessible laboratory furnace, while ensuring performances comparable to those obtained with industrial processes. Stainless steel 316L, widely studied in the literature, was chosen as the material for this study, facilitating comparisons with existing work. This steel is typically sintered under a hydrogen atmosphere, a highly flammable gas requiring expensive leak detection and risk management systems. Therefore, alternatives to hydrogen have been explored, including argon, nitrogen, a nitrogen-hydrogen mix (90%/10%), as well as primary vacuum. This study thus provides an overview of the effects of these different sintering atmospheres on the microstructure and mechanical properties of the produced parts, comparing them to industrial conditions and MIM process standards.Finally, one of the major advantages of additive manufacturing is its ability to produce complex and lightweight parts that are impossible to create using conventional processes. While most research on extrusion processes focuses on optimizing solid parts, this thesis focuses on printing lightweight structures. A specific infill pattern was selected, and the influence of the infill density and the number of walls was studied through bending tests, analyzed using digital image correlation. These experiments aim to provide guidelines for the design and optimization of printed structural parts