Procédé hybride de fabrication additive par projection de liant sur lit de poudre céramique

Ceramic powder-based hybrid binder jetting system

• Auteur / Autrice : Qirong Chen
• Direction : Anne Leriche, Fabrice Petit, Enrique Juste, Marie Lasgorceix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/01/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de matériaux céramiques et de mathématiques (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Jozef Vleugels
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Leriche, Fabrice Petit, Enrique Juste, Marie Lasgorceix, Ghislaine Bertrand, Jens Günster, Hélio Jorge, Francis Cambier, Emiel Speets, Charles Duterte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghislaine Bertrand, Jens Günster

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt par laser pulsé

Alumine

Frittage (métallurgie)

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Jet de liant

Alumine

Propriétés de la poudre

Paramètres d'impression

Post-infiltration

Ablation laser.

Binder jetting

Alumina

Powder properties

Printing parameters

Post-infiltration

Laser ablation

Résumé

Le Binder Jetting (BJ) ou projection de liant est un procédé de fabrication additive dans lequel des poudres sont sélectivement liées par un liant pour reproduire un objet couche par couche. Malgré ses nombreux avantages, le BJ souffre encore de deux limitations principales. Les céramiques imprimées avec cette technologie restent très poreuses après frittage et présentent des états de surface rugueux. La présente thèse est une tentative de contourner ces limitations. Une première partie de notre travail a été consacrée à l'étude et au développement d'une poudre d'alumine compatible avec un équipement BJ conçu spécifiquement ainsi qu'à l'optimisation des conditions d'impression et de densification. L'objectif de ce travail préliminaire était double : d'une part, reproduire l'état de l'art de la fabrication d'alumine par jet de liant et d'autre part, développer une méthodologie complète pour la préparation de poudres céramiques adaptées à notre machine (mais en fait à toutes les machines technologiquement similaires). Il s'agissait également de constituer un point de reference en comparaison duquel tous nos développements ultérieurs ont été évalués. L'influence des caractéristiques de la poudre (distribution granulométrique, morphologie, fluidité, densité de tassement et rugosité des lits de poudre) et des paramètres d'impression (vitesse de recouvrement, épaisseur de la couche et saturation du liant) a été soigneusement évaluée. Les performances mécaniques des corps frittés ont également été évaluées et comparées à celles de la littérature. Des densités allant jusqu'à 64% de la densité théorique et des résistances à la compression allant jusqu'à 102 MPa ont été obtenues, similaires aux résultats précédemment rapportés. Afin d'améliorer encore la densité, nous avons ensuite développé un procédé de traitement impliquant une post-imprégnation des pièces préfrittées avec une suspension céramique. Différents facteurs susceptibles d'influencer le processus ont été soigneusement étudiés, tels que le nombre d'imprégnations successives, l'influence de la température de préfrittage (rarement rapportée), le taux de charge solide, la durée d'imprégnation, etc. Les distributions de densité et de porosité à l'intérieur des échantillons ont également été analysées à l'aide de différents outils combinant MEB, microtomographie à rayons X et mesures de porosité. Grâce à cette approche, les densités de nos pièces frittées ont atteint près de 90% de la densité théorique, soit une augmentation de 33%. Enfin, la dernière partie de notre travail a porté sur le développement d'un procédé hybride pour améliorer la rugosité de surface et la précision dimensionnelle des pièces fabriquées. Notre idée était d'utiliser un laser directement monté dans la machine avec l'objectif d'affiner le contour de chaque couche imprimée et de produire des bords plus nets. Une étude paramétrique a été menée pour évaluer les effets de différents paramètres du laser comme la puissance du laser, la fréquence de répétition et la vitesse de balayage. L'influence du raffinage laser sur la netteté et la rugosité de pieces simples a été étudiée en les comparant avec leurs homologues "seulement imprimés". Il est montré que les échantillons repris au laser présentent une meilleure rugosité (divisée par 3) et une meilleure netteté, démontrant ainsi les avantages de l'hybridation.

Binder jetting (BJ) is an additive manufacturing process in which powders are selectively joined by a binder to reproduce an object layer by layer. Despite numerous advantages, BJ is still plagued by two main limitations. Ceramics printed with BJ remain very porous after sintering and exhibit poor finish surfaces. The present thesis is an attempt to circumvent these limitations. A first part or our work was devoted to the study and development of an alumina powder compatible with a custom BJ equipment as well as to the optimization of the printing and densification conditions. The aim of this preliminary work was two-fold: firstly, to reproduce the state of the art of alumina manufacturing by binder jetting and secondly to develop a comprehensive methodology for the preparation of suitable ceramic powders for our machine (but in fact for all the machines technologically similar). This was also the technological baseline from which all further developments have been evaluated. The influence of the powder characteristics (particle size distribution, morphology, flowability, packing density and roughness of powder beds) and printing parameters (recoating speed, layer thickness and binder saturation) were carefully assessed. The mechanical performances of sintered bodies were also evaluated and compared with the literature. Densities up to 64% of the theoretical density and average compressive strengths up to 102 MPa were obtained, similar to previously reported results. To improve further the sintered density, we then developed a processing route involving a post-infiltration of pre-sintered bodies with a ceramic suspension. Different factors suspected to influence the process have been carefully studied such as the number of successive infiltrations, the influence of the pre-sintering temperature (rarely reported), solid loading, the infiltration duration, etc. The density and porosity distributions inside of the samples were also analysed using different tools combining SEM, X-ray Microtomography and porosity measurements. Using this approach, the densities of our sintered parts reached almost 90% of the theoretical density representing an increase of 33%. Finally, the last part of our work was focused on the development of a hybrid process to improve the surface roughness and dimensional accuracy of fabricated parts. The idea was to use a laser directly mounted in the machine with the objective to refine the outline of each printed layers and produce sharper edges. A parametric study was carried out to assess the effects of different laser parameters like laser power, repetition frequency and scanning speed. The influence of the laser refining on the sharpness and roughness of simple bodies has been studied by comparing them with their “only printed” counterparts. It is shown that the laser refined samples exhibit better roughness (divided by 3) and sharpness thus demonstrating the benefit of the hybridization.