Fabrication additive par fil fondu d’un acier martensitique : Formulation du fil et étude du déliantage/frittage

Additive manufacturing of martensitic steel using molten wire : Wire formulation and debinding/sintering study

• Auteur / Autrice : Jordan Lacorne
• Direction : Éric Maire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Blandin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Maire, Jean-Jacques Blandin, Marie-France Lacrampe, Thierry Barrière, Christophe Colin, Aurélien Etiemble, Sandra Clemenson-Simon, Romain Faye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-France Lacrampe, Thierry Barrière
• DOI : 10.70675/6451d89fzb2faz4666zaaa2zd5b4720edd45

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Traitement thermique

Composites polymères

Prototypage rapide

Acier martensitique

Mots clés libres

Matériaux

Fabrication Additive

Formulation filament

Déliantage

Frittage

Microstructure

Propriété mécanique

Impression

Densification

Materials

Additive fabrication

Filament formulation

Debinding

Sintering

Microstructure

Mechanical properties

Printing

Densification

Résumé

Le procédé FFF (Fused Filament Fabrication) est une technique de fabrication additive pour créer des pièces métalliques à moindre coût. Il comprend plusieurs étapes : l’élaboration et la fabrication des filaments composé d’une matrice polymère et de poudre métallique, l’impression des pièces dites vertes, le déliantage consiste à retirer la matrice polymère soit par dissolution par solvant, soit par dégradation thermique, le frittage densifie les pièces laissées poreuses après le déliantage. L’entreprise Nanoe, spécialisée dans les filaments céramiques, cherche à étendre son expertise aux pièces métalliques, notamment en acier H13. L’optimisation des formulations ainsi que l’amélioration des étapes de post-impression sont primordiaux pour la technologie FFF. L’objectif principal de cette thèse était de caractériser l’ensemble du procédé afin de l’améliorer. Pour cela, les travaux de thèse se sont articulés autour de trois axes : déterminer les propriétés mécaniques et rhéologiques requises pour obtenir des filaments imprimables ; optimiser le déliantage tout en évitant l’apparition des défauts ou des contaminations ; obtenir des pièces denses. L’étude de l’influence des modules de stockage G’ et de perte G” sur l’écoulement du feedstock lors de l’impression et la tenue de la pièce lors du déliantage a permis de définir les additifs utilisés dans le feedstock. Puis, L’optimisation du déliantage vise à réduire le temps de cycle tout en prévenant les défauts. Un nouveau cycle de déliantage a été mis au point, tenant compte des températures de dégradation des liants et des vitesses adaptées. Enfin, les recherches ont approfondi les paramètres de frittage de l’acier H13, en observant les effets sur la porosité et la microstructure, notamment grâce à des suivis dilatométriques et des analyses au MEB. Les résultats ont permis de mieux comprendre les mécanismes de densification et l’impact du taux de carbone sur la microstructure finale.

The FFF (Fused Filament Fabrication) process is an additive manufacturing technique for creating low-cost metal parts. It comprises several stages: the development and manufacture of filaments composed of a polymer matrix and metal powder, the printing of so-called green parts, debinding, which consists in removing the polymer matrix either by solvent dissolution or thermal degradation, and sintering, which densifies the parts left porous after debinding. Nanoe, which specializes in ceramic filaments, is looking to extend its expertise to metal parts, particularly in H13 steel. Optimizing formulations and improving post-printing steps are of prime importance for FFF technology. The main objective of this thesis was to characterize the entire process in order to improve it. To this end, the thesis work focused on three areas: determining the mechanical and rheological properties required to obtain printable filaments; optimizing debinding while avoiding the appearance of defects or contamination; and obtaining dense parts. A study of the influence of storage modulus G' and loss modulus G” on feedstock flow during printing and part strength during debinding enabled us to define the additives used in the feedstock.Then, the optimization of debinding aims to reduce cycle time while preventing defects. A new debinding cycle was developed, taking into account binder degradation temperatures and adapted speeds. Finally, the research focused on the sintering parameters of H13 steel, observing the effects on porosity and microstructure, notably through dilatometric monitoring and SEM analysis. The results provided a better understanding of densification mechanisms and the impact of carbon content on the final microstructure.