demande d’allocation de recherche de l’ed siseo année ... · • maîtrise des outils...

Ecole Doctorale « Sciences et Ingénierie des Systèmes, de

L’Environnement et des Organisations » DDRV - 27 rue Marcoz - B.P. 1104

73011 Chambéry Cedex

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DEMANDE D’ALLOCATION DE RECHERCHE DE l’ED SISEO Année universitaire 2020-2021

SUJET DE THESE

1. LABORATOIRE

Nom ou sigle : SYMME Statut : EA 4144

2. DIRECTION DE THÈSE

Directeur de thèse (HDR) : Franck TOUSSAINT Codirecteur éventuel : Caroline ANTION

Laboratoire partenaire ou collaborations éventuels :

Domaine de compétences de l’ED SISEO :

- Environnement o - Organisations o - Systèmes X

3. SUJET DE THÈSE

Titre : Elaboration, caractérisation et modélisation de structures architecturées obtenues par fabrication additive métallique

4. RESUME (Français et Anglais)

La présente demande d’allocation doctorale de recherche s’inscrit dans la politique d’investissement du laboratoire SYMME initiée par le Professeur Laurent Tabourot dans le cadre du dossier CPER E-TIME – Institut de la Mécatronique. Au travers de ces trois premiers volets d’investissement, le laboratoire SYMME s’est équipé de plusieurs équipements de recherche dont un tomographe EasyTom XL par rayons X haute résolution et une imprimante 3D EOS M100 de fusion laser sur lit de poudre. Dans ce contexte, le laboratoire dispose désormais de moyens matériels associés à des compétences scientifiques et techniques lui permettant d’envisager des travaux de recherche vers le développement de matériaux nouveaux pour des applications potentielles dans le domaine du biomédical ou de la récupération d’énergie par exemple. Pour pouvoir passer à une recherche fédérée et coordonnée d’envergure avec des partenaires, l’arrivée de ces nouveaux matériels nécessite un temps de mise en route et une prise en main qui passe par une recherche individuelle de laboratoire pour laquelle l’allocation doctorale de recherche ED-SISEO est bien adaptée. Le projet proposé vise à élaborer des structures métalliques architecturées ou treillis au moyen du procédé DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Chaque pièce fabriquée fera l’objet d’une caractérisation de sa microstructure et de de ses propriétés mécaniques en traction/compression et en fatigue. Ces données expérimentales serviront de point d’entrée à la construction d’un modèle virtuel de comportement de la structure qui servira finalement à contrôler et optimiser les propriétés mécaniques au regard des paramètres géométriques (rayon, longueur, orientation des poutres…). The present application for a doctoral research grant is part of the SYMME laboratory investment policy initiated by Professor Laurent Tabourot in the context of the CPER E-TIME - Institute of Mechatronics. Through the first three investment streams, the SYMME laboratory is equipped with several research equipment, including a High Resolution X-ray EasyTom XL tomograph and an EOS M100 3D printer for laser fusion on a powder bed. In this context, the laboratory now has material devices associated with scientific and technical skills allowing it explore research works towards the development of new materials for potential applications in the field of biomedical or energy recovery by example. To be able to move on to a large-scale federated and coordinated research with partners, the arrival




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of these new devices requires time involving individual laboratory research for which the doctoral research allocation of ED-SISEO is well suitable. The proposed project aims to develop architectural metal structures or lattices using the DMLS (Direct Metal Laser Sintering) process. Each manufactured part will be the subject of a characterization of its microstructure and of its mechanical properties in tension/compression and in fatigue. These experimental data will serve as an entry point to set up a virtual model of the structure behavior which will in fine serve to control and optimize the mechanical properties with regard to geometric parameters (radius, length, orientation of the beams…).




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5. PROJET DE RECHERCHE DETAILLE (2 pages environ)

Une structure lattice est un matériau architecturé combinant des zones de vide et de présence de matériau assemblé de manière à créer des caractéristiques mécaniques spécifiques inatteignables par un matériau massif. Ces structures sont généralement utilisées pour obtenir des pièces de faible masse combinant des propriétés de résistance mécanique notable avec des fonctionnalités de dissipation d’énergie mécanique et/ou thermique, de catalyse et d’interfaçage avec la structure spongieuse de l’os notamment. L’étude de ces matériaux architecturés est contrainte par deux principaux verrous technologiques. Le premier est lié à la production de ces matériaux avec une porosité ouverte importante. De ce point de vue, l’impression 3D est actuellement le procédé de fabrication qui montre un véritable potentiel industriel. Le second verrou tient au contrôle de l’intégrité de la structure. Les méthodes de contrôles sont peu nombreuses et la tomographie reste la méthode la plus adaptée à ce jour. Dans ce contexte, le laboratoire SYMME avec son moyen de fabrication additive métallique par fusion laser sur lit de poudre et son tomographe dispose des moyens matériels lui permettant de lever les deux verrous technologiques et donc d’envisager sereinement un projet recherche autour de ces matériaux architecturés. L’objectif scientifique et technique du présent projet est donc d’élaborer, caractériser et modéliser des structures métalliques architecturées obtenues par fabrication additive. Le sujet d’étude se décompose en cinq volets : Modélisation volumique 3D de structures lattices : Dans la mesure où nous prenons le train en marche, l’objectif de ce premier volet sera de poursuivre le travail déjà entrepris pour dresser un état de l’art exhaustif des nombreuses structures lattices étudiées dans la littérature. Au terme de ce travail et en fonction des résultats obtenus, une démarche de modélisation volumique au moyen du logiciel SolidWorks sera mise en œuvre afin de disposer de la géométrie de l’échantillon en 3 dimensions dans un format de fichier STL. Un second logiciel (Magics) sera utilisée pour la génération des supports et la mise en plateau des pièces avant fabrication. Un savoir-faire important est à acquérir par expérience sur ce dernier point. Elaboration des matériaux architecturés : L’imprimante 3D métal du SYMME est une machine basée sur une technologie d’impression 3D appelée DMLS pour Direct Metal Laser Sintering. Cette technique d’impression 3D utilise un laser pour faire fondre et fusionner de la poudre métallique couche par couche. La figure ci-contre présente une photographie de la machine qui équipe le laboratoire SYMME. La machine est qualifiée pour une large gamme de matériaux métalliques mais le laboratoire ne dispose pour l’heure que de barils de poudres d’acier 316L et de titane TA6V. En raison de son coût plus faible, les travaux seront menés sur l’acier 316L. Il s’agira en particulier de prendre en main l’imprimante 3D en respectant les inhérentes contraintes hygiène, sécurité et environnement afin d’élaborer les différentes structures retenues. Caractérisation mécanique des matériaux architecturés : Les moyens de caractérisation mécanique disponibles au laboratoire permettent d’envisager une caractérisation mécanique selon de multiples sollicitations qu’elle soit quasi-statique, dynamique ou à l’impact. Les échantillons seront dans un premier temps caractérisés à partir d’essais de traction/compression quasi-statique. Ces essais seront réalisés au moyen d’une machine INSTRON 5569 équipée d’une cellule de charge de 50 kN pour la mesure de l’effort. Au cours de l’essai, une technique d’imagerie optique (voir figure ci-contre) sera mise en œuvre afin d’enregistrer une séquence d’images numériques d’une ou plusieurs faces de l’échantillon. Ces images seront ensuite post-traitées afin de calculer les champs de déplacement et de déformation à la surface de l’éprouvette. Ces informations d’effort et de déformations permettront de mettre en évidence le comportement mécanique de la structure. Des essais dynamiques seront mis en œuvre dans un deuxième temps afin de mettre en évidence la tenue mécanique en fatigue de la structure.




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Contrôle tomographique de la microstructure : La tomographie est actuellement la méthode la plus adaptée pour le contrôle de l’intégrité des structures lattices issues de la fabrication additive. Le dispositif de tomographie EasyTom XL par rayons X haute résolution disponible au laboratoire SYMME sera utilisé pour atteindre cet objectif. Cette technique d’imagerie non destructive permet d'obtenir une description en 3 dimensions de la structure interne d'un objet à partir d'une série de radiographies à 2 dimensions (voir figure ci-contre). Une reconstruction volumique est alors réalisée à l’aide d’un algorithme mathématique et permet de sonder la structure interne du matériau architecturé. Dans le cas présent, l’outil de caractérisation est donc pressenti pour la détection, la localisation et la caractérisation de défauts d’élaboration telles que fissures, porosités, hétérogénéités de forme... Les premiers tests réalisés au laboratoire sur des éprouvettes de TA6V (voir figure ci-dessous) obtenues par fabrication additive laser sont prometteurs puisqu’ils permettent de détecter une population de défauts dont la taille peut descendre jusqu’à quelques microns. L’intérêt par la suite de cette caractérisation est de pouvoir dénombrer et cartographier ces défauts dans le volume des échantillons afin de les corréler à leur tenue mécanique en fatigue. Une corrélation supplémentaire pourra de plus être envisagée à partir d’outils de simulation afin d’optimiser au mieux l‘architecture 3D des formes nouvellement élaborées sur la machine d’impression 3D du laboratoire. Simulation numérique : Le but de cette dernière partie est d'explorer le comportement mécanique et/ou thermomécanique d'une telle structure d'un point de vue numérique. Pour atteindre cet objectif, une comparaison sera faite entre les données mesurées (champs de déformation, chargement) et les données calculées à partir d'un modèle numérique de l'expérience. Plusieurs pistes pourront être explorées pour ce travail. En particulier, nous chercherons à intégrer la représentation volumique de l'échantillon mesurée à l'aide du tomographe dans le modèle EF. Une attention particulière sera portée à l'analyse de l'influence des défauts sur le comportement mécanique. Nous chercherons également à identifier, à l'aide d'une méthode de recalage de modèles éléments finis (FEMU - Finite Element Model Updating), les paramètres des matériaux conduisant à la meilleure identification en vue d’optimisation ultérieure.

6. CANDIDAT RECHERCHE : Détailler en quelques lignes vos besoins et les qualités du candidat recherché…

• Formation scientifique Master 2 Recherche et/ou ingénieur Mécanique Matériaux

• Maîtrise des outils informatiques : CAO, traitement et analyse d’images (ImageJ), Calculs Éléments Finis

• Goût pour l’expérimentation

• Dynamisme, rigueur, esprit de synthèse, bonne qualité rédactionnelle et orale

7. FINANCEMENT DE LA THESE : Le contrat doctoral fixe une rémunération principale, indexée sur l’évolution des rémunérations de la fonction publique : depuis le 1er février 2017, elle s’élève à 1768,55 euros bruts mensuels pour une activité de recherche seule. Des heures d’enseignements peuvent être effectuées dans la limite de 64 heures équivalent TD par année universitaire après autorisation du président de l’université et rémunérées au taux fixé pour les travaux dirigés en vigueur. D’autres activités complémentaires au contrat doctoral sont prévues par l’article 5 du décret n° 2009-464 du 23 avril 2009 modifié. La durée totale des activités complémentaires aux activités de recherche confiées au doctorant dans le cadre du contrat doctoral ne peut excéder un sixième du temps de travail annuel.




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8. CONTACT : Nom prénom : TOUSSAINT Franck

Tél : 04 50 09 65 76

Email : [email protected]

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