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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm École Doctorale RP2E Ressources, Procédés, Produits et Environnement THÈSE Spécialité : Génie des Procédés et des Produits Présentée et soutenue publiquement par Adnene SAKLY le 28 février 2013 en vue d'obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LORRAINE Fabrication additive de pièces à base d’alliages métalliques complexes JURY Rapporteurs : Pascal Mognol Constantin Vahlas Examinateurs : Jean-Claude André Serge Corbel Vincent Fournée Samuel Kenzari “ In the middle of difficulty lies opportunity ” Albert Einstein À mes parents, À ma sœur, Remerciements Ce travail de recherche a été effectué au sein de l’équipe PRISM au Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) dirigée par Laurent Falk et l’équipe 203 à l’Institut Jean Lamour (IJL) dirigée par Vincent Fournée. Cette étude a é té financée conjointement par le CNRS et la Région Lorraine. Je voudrais remercier en premier lieu, mon Directeur de thèse Serge Corbel, Chargé de Recherche au LRGP pour avoir accepté de diriger cette thèse. Il a été présent à toutes les étapes importantes tout en me laissant une très grande autonomie dans mon travail. L’entière confiance qu’il m’a accordée tout au long de ces années a été pour moi un honneur et pour cela je lui exprime toute ma gratitude. Je tiens à exprimer ma reconnaissance également, à Monsieur Vincent Fournée, Directeur de Recherche à l’IJL et mon codirecteur de thèse pour ses conseils avisés et pour m’avoir transmis son expérience et son enthousiasme. Je remercie Monsieur le Professeur Pascal Mognol, Directeur du dé partement mécatronique à l’École Normale Supérieur de Cachan et Monsieur Constantin Vahlas, Directeur de Recherche au Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) d’avoir accepté d’examiner ce travail et d’en être les rapporteurs. Je remercie Monsieur Jean-Claude André Directeur de Recherche émérite au CNRS de m’avoir fait l’honneur d’accepter de juger ce manuscrit. Je remercie Samuel Kenzari, Ingénieur de Recherche au CNRS, pour sa collaboration durant toute ma thèse. Je lui suis reconnaissant pour sa grande implication ainsi que pour ses conseils et surtout pour son amitié. Je remercie Monsieur Gabriel Wild, Directeur de recherche au LRGP et Directeur du laboratoire, ainsi que Monsieur Jean–Marie Dubois, Directeur de Recherche à l’IJL et Directeur du laboratoire, pour m’avoir accueilli et pour la confiance qu’ils m’ont accordée ainsi que pour les nombreux moyens mis à ma disposition. David Bonina et Marie Cécile De Weerd ont toujours résolu les différents problèmes d’ordre technique qui se sont posés avec rapidité et enthousiasme. Je leurs en suis reconnaissant. L’étude du comportement rhéologique a été possible grâce à Philippe Marchal, ingénieur de recherche au GEMICO-LRGP. J’aimerais saluer sa compétence scientifique et l’intérêt qu’il a porté à mon travail. J’aimerais remercier Philippe Arnoux, Ingénieur d'études au LRGP pour avoir supervisé toutes les expériences à sphère intégratrice. Mes remerciements vont également aux techniciens et secrétaires de LRGP et de l’IJL pour leur bonne humeur et leur disponibilité : Le personnel de l’atelier Mécanique : Pascal Beaurain, Alain Chérèque, Alain Patternote, Christian Blanchard, Patrick Louis et Yann Niedergang. Le personnel du SIEL– LRGP : Mathieu Weber, Franck Giovanella et Abdelhakim Benhara. Les secrétaires de LRGP : Maggy Aulon, Annie Frey, Natalie Petit Jean et Muriel Haudaot. Les secrétaires de l’IJL : Valérie Tamburini, Charlotte Bohn et Anne–Marie Airault. Sommaire Introduction générale.................................................................................................................. 1 Chapitre I : Fabrication additive................................................................................................. 3 I.1. Introduction à la fabrication additive ................................................................................... 5 I.2. Principe de la fabrication additive ....................................................................................... 7 I.3. Dépôt de matière fondue ...................................................................................................... 9 I.3.1. Dépôt de filament extrudé .......................................................................................................................... 9 I.3.2. Dépôt de métal fondu ............................................................................................................................... 10 I.4. Projection de liant .............................................................................................................. 11 I.5. Les procédés laser .............................................................................................................. 12 I.5.1. Fusion de poudre par laser (SLS/SLM) ................................................................................................... 12 I.5.1.1. Matériaux utilisés pour le SLS/SLM ........................................................................................................ 13 I.5.1.2. Machine de frittage / fusion direct laser .................................................................................................... 14 I.5.1.3. Frittage direct laser (SLS) ......................................................................................................................... 15 I.5.1.4. Fusion directe laser (SLM) ....................................................................................................................... 16 I.5.2. Stéréolithographie .................................................................................................................................... 16 I.5.2.1. Formulation de la résine ........................................................................................................................... 17 I.5.2.2. Machines de Stéréolithographie ................................................................................................................ 19 I.6. Conclusion sur la fabrication additive ............................................................................... 22 Bibliographie du chapitre I ....................................................................................................... 23 Chapitre II : Généralités sur les quasicristaux .......................................................................... 27 II.1. Introduction sur les quasicristaux ..................................................................................... 29 II.2. Propriétés structurales des quasicristaux .......................................................................... 30 II.2.1. Arrangements atomiques ............................................................................................................................ 31 II.2.2. Indexation des pics ..................................................................................................................................... 32 II.3. Propriétés physiques des quasicristaux............................................................................. 34 II.3.1. Résistivité électrique............................................................................................................................... 34 II.3.2. Conductivité thermique .......................................................................................................................... 35 II.3.3. Propriétés optiques des quasicristaux ..................................................................................................... 35 II.3.4. Propriétés mécaniques ............................................................................................................................ 36 II.3.5. Propriétés de frottement .......................................................................................................................... 37 II.4. Élaboration des quasicristaux ........................................................................................... 38 II.5. Applications des quasicristaux ......................................................................................... 39 II.5.1. Les quasicristaux comme renfort dans une matrice de polymère ............................................................... 40 II.5.2. Autres applications ..................................................................................................................................... 42 II.6. Conclusion sur les quasicristaux ...................................................................................... 44 Bibliographie du chapitre II ..................................................................................................... 45 Chapitre III : Système AlCuFeB : propriétés optiques et tentative de frittage direct laser ...... 51 III.1. Introduction ..................................................................................................................... 53 III.2. Le système Al–Cu–Fe–(B) .............................................................................................. 53 III.2.1. Alliage Al–Cu–Fe–(B) .......................................................................................................................... 54 III.2.2. Caractérisation des poudres intermétalliques AlCuFeB ........................................................................ 55 III.2.2.1. Analyse de phase par diffraction X ........................................................................................................ 55 III.2.2.2. Morphologie et granulométrie des poudres CMA .................................................................................. 56 III.2.2.3. Propriétés optiques des CMA ................................................................................................................. 57 III.3. Frittage direct laser .......................................................................................................... 63 III.3.1. Étude de l'évolution thermique des poudres AlCuFeB .......................................................................... 63 III.3.2. Adaptation du procédé au frittage ......................................................................................................... 64 III.3.3. Évaluation de la température du lit de poudre sous irradiation ............................................................. 65 III.3.4. Caractérisation de la poudre après le passage du laser .......................................................................... 67 III.4. Conclusion ....................................................................................................................... 70 Bibliographie du chapitre III .................................................................................................... 71 Annexe du chapitre III.............................................................................................................. 73 Chapitre IV : Formulation d’une résine chargée en particules CMA pour la stéréolithographie .................................................................................................................................................. 75 IV.1. Introduction ..................................................................................................................... 77 IV.2. Résines commerciales de stéréolithographie .................................................................. 77 IV.2.1. Résine Si40 ........................................................................................................................................... 77 IV.2.2. Résine chargée Bluestone ..................................................................................................................... 78 IV.3. Propriétés du mouillage des CMA par la résine époxy ................................................... 79 IV.3.1. Mouillage et angle de contact ............................................................................................................... 79 IV.3.2. Mesure de l'angle de contact ................................................................................................................. 80 IV.3.3. Résultats et discussion .......................................................................................................................... 80 IV.4. Élaboration de la suspension ........................................................................................... 81 IV.5. Caractérisation optique de la résine chargée ................................................................... 82 IV.6. Réactivité de la résine chargée ........................................................................................ 83 IV.6.1. Intensité d'irradiation ............................................................................................................................ 83 IV.6.2. Relation de la résolution spatiale en fonction de l'intensité d'irradiation .............................................. 85 IV.6.3. Profondeur de polymérisation ............................................................................................................... 87 IV.6.4. Largeur de polymérisation .................................................................................................................... 89 IV.7. Conclusion ...................................................................................................................... 90 Bibliographie du chapitre IV .................................................................................................... 91 Annexe du chapitre IV ............................................................................................................. 92 Chapitre V : Amélioration du procédé et caractérisation des pièces........................................ 93 V.1. Introduction ...................................................................................................................... 95 V.2. Caractérisation rhéologique de la résine chargée ............................................................. 95 V.2.1. Comportement rhéologique .................................................................................................................... 95 V.2.1.1. Mesure expérimentale de viscosité en fonction du taux de cisaillement ................................................. 97 V.2.1.2. Résultats et interprétations ...................................................................................................................... 98 V.2.1.3. Conclusions sur la rhéologie ................................................................................................................... 99 V.2.2. Étude de sédimentation ........................................................................................................................ 100 V.2.3. Conclusion sur la rhéologie et la sédimentation ................................................................................... 103 V.3. Élaboration d’un composite : optimisation des paramètres du procédé ......................... 104 V.3.1. Méthode de polymérisation .................................................................................................................. 104 V.3.2. Mise en place des couches et fabrication.............................................................................................. 105 V.3.2.1. Optimisation des paramètres d’étalement d’une couche ....................................................................... 105 V.3.2.2. Mouillage de la résine polymérisée ....................................................................................................... 107 V.3.2.3. Fabrication, rinçage et post–polymérisation .......................................................................................... 107 V.4. Étude des propriétés mécaniques et tribologiques ......................................................... 109 V.4.1. Préparation des échantillons ................................................................................................................. 109 V.4.2. Étude de la dureté ................................................................................................................................. 110 V.4.3. Étude du frottement .............................................................................................................................. 111 V.4.3.1. Dispositif expérimental ......................................................................................................................... 112 V.4.3.2. Résultats et discussion des résultats des essais de frottement ............................................................... 112 V.4.4. Étude de l’usure par abrasion ............................................................................................................... 119 V.5. Conclusion sur l'étude expérimentale ............................................................................. 120 Bibliographie du chapitreV .................................................................................................... 122 Conclusion générale et perspectives ...................................................................................... 125 Introduction générale 1 Introduction générale La fabrication additive consiste à produire en un temps réduit et d'une manière automatisée un objet 3D, couche par couche, à partir d'un modèle issu d'une conception assistée par ordinateur (CAO). Initialement destinés à la fabrication de prototypes et de maquettes, les procédés de fabrication additive répondent depuis quelques années à des demandes de pièces fonctionnelles. Selon les procédés, il est possible aujourd’hui de fabriquer des pièces métalliques ou en matériaux composite à matrice métallique ou polymère. Cependant, la gamme des matériaux proposés reste limitée alors qu’il existe une réelle attente de nouveaux matériaux pour des objets métalliques plus légers ou des composites polymères aux propriétés nouvelles ou améliorées, en particulier dans les secteurs liés aux industries automobiles, aéronautiques et médicales. En ce qui concerne l’allègement des pièces métalliques, on envisage en particulier la mise au point de matériaux composites à base d’alliages légers comme l’aluminium. Mon travail de thèse s'inscrit dans ce contexte. Il concerne la recherche et le développement de nouveaux matériaux composites légers pour la fabrication uploads/Industriel/ddoc-t-2013-0008-sakly.pdf