Frittage par micro-ondes de céramiques mises en forme par impression 3D

Microwave sintering of ceramics shaped by 3D printing

• Auteur / Autrice : Tristan Garnault
• Direction : Didier Bouvard, Sylvain Marinel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 09/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Chevalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Heintz, Isabelle Polaert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zircone

Alumine

Impression 3D

Frittage (métallurgie)

Chauffage par microondes

Mots clés libres

Micro-Ondes

Frittage

Impression 3D

Monomode

Alumine

Zircone

Microwave

Sintering

3D printing

Single mode

Alumina

Zircona

Résumé

Cette thèse traite du frittage par chauffage micro-ondes de céramiques d’alumine et de zircone yttriée, mises en forme par fabrication additive (Robocasting). Le chauffage par micro-ondes permet d’appliquer des cycles thermiques courts avec un coût énergétique modéré lorsqu’on le compare aux méthodes de chauffage conventionnel. La combinaison de l’impression 3D et du frittage par micro-ondes est un processus complet, adapté à la mise en forme et à la densification de petites séries de pièces complexes, économe à la fois en matière première, en temps et en énergie. Ces travaux visent donc à coupler de manière fiable ces deux procédés en améliorant notre compréhension des interactions micro-ondes/matière, et en développant des méthodes de régulation et dispositifs de frittage adaptés.La problématique de la régulation automatique et du contrôle de la température des dispositifs micro-ondes a été tout d’abord traitée. L’instabilité en fréquence des sources magnétron est un frein à l’application d’un pilotage automatique efficace s’il n’est pas pris en considération. Par la suite, le couplage micro-onde de l’alumine et de la zircone a été discuté. Ces deux matériaux présentent des comportements très différents. L’alumine, quasi transparente, chauffe difficilement sous irradiation directe. La zircone, quant-à-elle, présente un comportement qui évolue fortement avec la température, passant de peu absorbant à réfléchissant, rendant la maitrise de son chauffage direct compliqué. Tenant compte des caractéristiques des dispositifs micro-ondes et du comportement des matériaux, il est proposé une méthode de chauffage par micro-ondes assisté, permettant le frittage rapide et maitrisé de pièces à compositions et géométries variées. Des pièces complexes ont été frittées avec succès par le procédé ainsi développé.

This PhD thesis deals with the sintering by microwave heating of alumina and yttria doped zirconia ceramics, shaped by additive manufacturing (Robocasting). Microwave heating allows to apply short thermal cycles with a moderate energy cost in comparison with conventional heating method. The combination of 3D printing and microwave sintering is a complete processing route, suitable for shaping and densification of small series of complex parts, saving raw material, time and energy. The aim of this work is therefore to reliably couple these two processes by improving our understanding of microwave/matter interactions, and by developing regulation methods and adapted sintering devices.The methods of automatic regulation and temperature monitoring of microwave devices were first dealt with. The frequency instability of magnetron sources is an obstacle to the application of effective automatic control if it is not taken into account. Subsequently, the microwave coupling of alumina and zirconia was discussed. These two materials have a very different behaviour. Alumina, which is quasi-transparent, heats with difficulty under direct irradiation. Zirconia, on the other hand, has a behaviour that changes strongly with temperature, going from not very absorbent to reflective, making it difficult to control its direct heating. Taking into account the characteristics of microwave devices and the behaviour of materials, a method of assisted microwave heating is proposed, allowing the rapid and controlled sintering of parts with varied compositions and geometries. Complex parts have been successfully sintered using this process.