Etude de matériaux céramiques, de la poudre à la pièce, dans le cadre de la mise au point d'une nouvelle machine d'impression 3D

par Julie Odinot

Projet de thèse en Science des matériaux

Sous la direction de Marc Thomas et de Johan Petit.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec ONERA - MAS - Matériaux et structures (laboratoire) et de École normale supérieure (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Les techniques d'élaboration de matériaux par fabrication additive (FA) sont en plein essor [1]. Elles permettent de fabriquer des pièces par ajout de matière, en opposition avec les techniques traditionnelles par soustraction de matière (usinage). Il existe à l'heure actuelle de nombreux procédés de FA, adaptés à différentes applications : fusion ou frittage par faisceau d'électrons ou par laser, dépôt de matière direct ou en lit de poudre… Ces procédés ont été bien développés pour des matériaux polymères puis métalliques. Des techniques de FA de matériaux céramiques via des polymères chargés ont également vu le jour, mais celles-ci nécessitent des traitements postérieurs (cycles de déliantage, frittage) [2]. Les matériaux céramiques denses sont encore peu développés en fabrication additive en raison de la fissuration de ces matériaux lors de leur élaboration. La technologie CLAD (Construction Laser Additive Directe), développée par IREPA-LASER, permet la fabrication de pièces par dépôt de matière fondue. Le matériau sous forme de poudre est acheminé via une buse laser et projeté dans le faisceau. Il est ainsi porté à la température de fusion. La fusion successive de plusieurs couches permet l'obtention de la pièce. Cette technique, en plus de n'utiliser que la matière nécessaire (contrairement aux techniques de fabrication par lit de poudre), permet la fabrication de pièces de grandes dimensions, voire en multi-matériaux. Cette technologie est, pour l'heure, dédiée aux matériaux métalliques. L'objet de ce sujet de thèse, en partenariat entre l'ONERA et IREPA-LASER dans le cadre du projet inter-Carnot CLADIATOR, est d'étudier la FA de matériaux céramiques denses par le procédé CLAD®. Cette étude porte ainsi sur le procédé dans son ensemble, des matières premières aux pièces finales, en passant par l'adaptation du moyen de fabrication aux contraintes spécifiques liées aux matériaux céramiques. Les matières premières exigent d'être adaptées au procédé ; les deux principales difficultés étant la coulabilité de la poudre, nécessaire pour son acheminement dans la buse, et l'absorption de la source laser par le matériau pour sa montée en température. En parallèle de la caractérisation des matières premières (granulométrie, MEB, dilatométrie, DRX…), des essais d'atomisation par séchage seront effectués pour optimiser la coulabilité des poudres [3]. Ce procédé d'atomisation permet d'obtenir des poudres sous forme d'agglomérats sphériques de plus petites particules ; leur forme est régulière, mais elles restent poreuses. L'ajout de dopants sera étudié pour améliorer l'absorption du signal, en adéquation avec une éventuelle adaptation du laser. Les matériaux considérés sont l'alumine, la zircone ainsi que des compositions eutectiques d'alumine-zircone. La principale difficulté de ce sujet réside dans la sensibilité à la fissuration des matériaux céramiques, en raison du fort gradient thermique induit par le chauffage local du laser et le refroidissement de la pièce. Des solutions de chauffage de la pièce et/ou du matériau avant et après le dépôt seront étudiées pour limiter les contraintes thermomécaniques subies par le matériau [3,4]. La machine devra également être modifiée pour supporter les températures élevées nécessaires à l'élaboration de céramiques (températures de fusion et dispositif de pré/post chauffage). L'étude et l'optimisation de ces solutions seront effectuées à l'aide de modélisations multi physiques sur le logiciel COMSOL en collaboration avec IREPA-LASER. Enfin, l'influence du procédé d'élaboration sur l'état des pièces réalisées sera étudiée grâce à des caractérisations microscopiques, mécaniques, thermiques… Références : [1] : Wohlers Report 2015. (Courtesy of Wohlers Associates) [2] : Additive Manufacturing of ceramics : A review, Deckers et al., Journal of ceramic science and technology, 2014 [3] : Net shaped high performance oxide ceramic parts by selective laser melting, Hagedorn et al., Physics procedia, 2010 [4] : Effect of high-temperature preheating on the selective laser melting of yttria-stabilised zirconia ceramic, Liu et al, Journal of Materials Processing Technology, 2015

  • Titre traduit

    Ceramic materials from raw material to final part within the context of development of a new additive manufacturing machine.


  • Résumé

    This work, in partnership between the ONERA Materials and Composite Structure Department (DMSC) and IREPA Laser within the CLADIATOR project, is based on the study of direct additive manufacturing of dense ceramic materials by direct melt deposition (also known as laser cladding) process. This process enables high dimensions or even multi-materials part manufacturing. It will deal with the adaptation of raw materials (ceramic powders) to the existing machine, especially in the case of powder flowability and optical absorption. Indeed, the powder flowability enables its transportation up to the laser nozzle, while the optical absorption of the laser signal is necessary to allow its melting. In parallel, the existing machine also needs to be adapted to ceramic materials : the main difficulty of this work will be the occurence of cracks during the manufacturing. This phenomena is due to the local heating by the laser and the materials brittleness. That's why some secondary heating solutions, before or after the melt, will have to be defined to decrease the thermal gradient in the material while processing. Those solutions will be discussed between Onera and Irepa Laser, based on FEM simulations established with COMSOL Multiphysics software. Finally, the elaboration process influence on the manufactured ceramics parts will be investigated with microscopy, mechanical and thermal characterization.