Soutenance de thèse de Zhongfeng Xu

Étude multi-échelle de la fabrication additive de polyamide-12 par le procédé L-PBF : de la caractérisation expérimentale à la simulation numérique

Zhongfeng Xu a réalisé sa recherche doctorale dans les équipes de recherche S&P et 2MS sous la supervision de Jean-Luc Bouvard et Yancheng Zhang . Il soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 20 décembre 2024 devant le jury suivant:

M. Shihe XIN INSA Lyon Rapporteur
M. Modesar SHAKOOR IMT Nord Europe Rapporteur
Mme Claire BARRèS INSA Lyon Examinatrice
M. Jean-Luc BOUVARD MINES Paris-PSL Examinateur
M. Yancheng ZHANG MINES Paris-PSL Examinateur
M. Marcos BATISTELLA IMT Mines Alès Examinateur
M. RYCKELYNCK DAVID MINES Paris-PSL Examinateur
Mme Luisa ROCHA DA SILVA Ecole Centrale de Nantes Examinatrice
Mme Noëlle BILLON MINES Paris-PSL Invitée
M. Lionel FREIRE MINES Paris-PSL Invité

Résumé :

Le processus de fabrication additive (FA) par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), qui produit des pièces en balayant sélectivement des matériaux en poudre à l’aide d’un faisceau laser, a été appliqué aux polymères semi-cristallins. En raison de la nature du formage couche par couche, le potentiel de ce processus innovant réside dans la production de géométries complexes et dans la réduction du temps de développement des produits. Cependant, l’application du L-PBF à la fabrication de polymères semi-cristallins est encore limitée. D’une part, le comportement complexe du matériau, la diversité de l’organisation de la poudre et les conditions de traitement liées à de nombreux paramètres de la machine posent des difficultés pour l’optimisation de la fabrication. D’autre part, l’absence de force motrice externe rend la reproductibilité difficile par rapport aux méthodes conventionnelles. Plus précisément, la fabrication additive de pièces optimisées, qui possèdent des propriétés mécaniques et une stabilité dimensionnelle comparables à celles des méthodes traditionnelles, est l’objectif à long terme de la communauté des polymères semi-cristallins L-PBF. Dans cette étude, le polymère le plus largement utilisé dans le commerce, le polyamide 12 (PA12), a été sélectionné. Tout d’abord, les propriétés fondamentales du matériau, y compris les propriétés thermiques, rhéologiques et mécaniques, ainsi que la morphologie des particules, ont été étudiées de manière approfondie par des expériences et modélisées mathématiquement. Ensuite, la coalescence des particules dans le bain de fusion avec différents paramètres de traitement est étudiée sur la base du modèle numérique par éléments finis à l’échelle des particules. Dans un modèle continu à méso-échelle, l’évolution de la densité et la contraction conséquente du bain de fusion due à la consolidation de la poudre ont été étudiées numériquement à l’aide de la méthode de l’ensemble de niveaux et validées par des mesures expérimentales. Les études numériques suggèrent que l’interaction thermique entre les cordons adjacentes à une influence importante sur l’évolution du bain de fusion. À l’échelle macroscopique, les mécanismes de déformation associés à la dilatation thermique et au retrait volumétrique non uniforme induit par la transformation de phase sont étudiés. En outre, la loi de comportement viscoélastique a été développée et mise en œuvre à différentes températures par le principe de superposition temps-température. Ensuite, la transformation de phase régie par la cinétique de cristallisation modifiée, le déplacement et l’évolution des contraintes au cours du processus L-PBF ont été simulés. Cette étude démontre une caractérisation systématique des matériaux, une modélisation numérique multi-échelle et multiphysique. Elle peut être facilement étendu à d’autres polymères semi-cristallins pour la simulation et l’optimisation du procédé L-PBF.

Mots-clés : Fabrication additive, Polyamide-12, Caractérisation expérimentale, Modélisation numérique