Etude du comportement en fatigue grand nombre de cycles de structures lattice réalisées par fabrication additive.

par Marie Pirotais

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Nicolas Saintier et de Charles Brugger.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de DuMAS : Durabilité des Matériaux, Assemblages et Structures (equipe de recherche) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    La fusion laser de poudres métallique est un procédé de fabrication additive de plus en plus utilisé dans l'industrie aéronautique. Par rapport aux procédés de fabrication classiques, il autorise une très grande liberté dans le dessin des pièces, permettant de réaliser des pièces fortement évidées dont le cœur est constitué de treillis métalliques (structures « lattices ») ou de la répétition périodique d'une cellule élémentaire poreuse. Ce type de géométries complexes ouvre de nouvelles possibilités pour les structures développées par le CEA mais pose de nombreuses difficultés en termes de dimensionnement, notamment en fatigue, en raison de l'échelle des structures fabriquées. La durée de vie des matériaux et des structures métalliques sous chargement de fatigue dépend très fortement de leur comportement plastique aux petites échelles. Parmi les nombreux paramètres qui pilotent les processus d'amorçage de fissure, l'orientation et la taille des grains constituent des éléments microstructuraux qui jouent un rôle majeur dans le développement de la micro-plasticité aux petites échelles. Ces effets sont d'autant plus importants que les microstructures sont hétérogènes et/ou que les dimensions caractéristiques les structures étudiées sont de l'ordre de celles des grains des matériaux constitutifs. Ces deux caractéristiques sont présentes dans le cas des pièces réalisées par fabrication additive : la microstructure des pièces est fortement anisotrope dû à l'histoire thermique de la matière, et les parois très fines des lattices se rapprochent de la taille de grain où les effets de la surface/volume peuvent entrer en compétition. La compréhension de l'influence de la rugosité de surface en fonction des dimensions caractéristiques de microstructure et de paroi est alors primordiale pour le dimensionnement en fatigue. L'objectif de ce travail de thèse est la compréhension des mécanismes d'endommagement des structures poreuses périodiques sous chargement cyclique, par exemples des structures lattices inspirées de la cristallographie ou de formes géométriques simples, et le développement de méthodes de calcul en fatigue pertinentes pour ce type de structures. Ce travail sera basé d'une part sur les méthodes expérimentales de caractérisation de microstructure et de caractérisation de l'endommagement (tomographie en particulier) et sur la mise en place d'une approche multiéchelle pour l'endommagement de ces microstructures en se basant sur les méthodes déjà en place au laboratoire dans ce domaine.

  • Titre traduit

    Investigation of the high cycle fatigue mechanical behaviour of additively manufactured lattices


  • Résumé

    Selective Laser Melting (SLM) of metal powder bed is an additive manufacturing technique enabling the production of complex parts for various industries such as aeronautics. This technique offers the advantage to be highly suitable for producing with high accuracy lattice structures, designed with the repetition of a complex unit cell. These advanced geometries open up interesting advantages over more traditionally produced solid parts, and allows new possibility for CEA's structures development. Nevertheless, there are still some dimensioning issues, specifically regarding fatigue behavior, due to manufactured parts' scale. Service-life of metallic structure under fatigue loading strongly depends on their plastic behaviour at small scales. Among the numerous parameters driving crack initiation, orientation and grain size play a major role on micro-plasticity development. These effects are all the more pertinent when microstructures are heterogeneous and/or structure dimensions are close to those of grains. Parts made by additive manufacturing presents those two microstructural characteristic: thermal history causes the anisotropy of manufactured parts, and the surface and volume effects are in competition due to the small scale of lattices' beams. Hence, the understanding of surface roughness influence depending on characteristic dimensions and walls is essential for fatigue dimensioning and modelling. This PhD aims to investigate fatigue performances and damage mechanism of lattices structures under periodic loading and to develop a multiscale approach for fatigue mechanisms. This study will be based on experimental characterization methods of microstructure, damage characterization using the tomography technology and modelling methods already used by I2M laboratory.