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Nos Thèses par thème

Défis technologiques >> Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux
7 proposition(s).

Fabrication additive d'une jauge d'extensométrie haute température

DLORR (CTReg)

Autre DLORR

Master Sciences des Matériaux - Micromécanique

01-10-2020

SL-DRT-20-0217

manuel.fendler@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

L'internet des objets apporte intelligence et connectivité au sein des outils industriels. Il permet une connaissance en temps réel des paramètres des équipements, ce qui permet d'optimiser les procédés par une meilleure connaissance et une meilleure prise en charge des conditions de fabrication. L'accumulation des données permet leur traitement statistique par machine learning en vue d'améliorer le procédé et le pilotage en temps réel grâce à d'avantage de connectivité et d'intelligence embarquée. Au c?ur de la collecte de données dans les outils, bon nombre de capteurs sont conçus à partir d'un élément sensible commun : la jauge d'extensométrie. Cependant les conditions opérationnelles en environnement industriel sont extrêmement sévères ; le stimulus majeur de dégradation est la température, avec des valeurs dépassant couramment les 400°C, ce qui élimine l'emploi des jauges qui sont fabriquées exclusivement sur substrats plastiques. L'objectif de cette thèse est donc de développer des capteurs à jauges hautes températures, en faisant levier sur les techniques additives à la fois pour la fabrication et l'intégration des jauges sur des corps d'épreuve topologiquement optimisés.

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Réalisation par fabrication additive d'un dispositif 3D en céramique / métal, appliqué au transfert d'énergie à distance et au contrôle à distance.

DMIPY (CTReg)

Autre DMIPY

Master 2 Matériaux et procédés

01-09-2020

SL-DRT-20-0282

regis.delsol@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

La plateforme Matériaux du CEA Tech Occitanie conduit des travaux de recherche appliquée dans le domaine de la fabrication additive de céramiques. Le sujet proposé vise à consolider au travers d'un cas applicatif, la capacité de concevoir et réaliser des dispositifs céramique/métal. Le dispositif réalisé sera intégré à un système mécatronique incluant un ou plusieurs capteurs et permettra le transfert de puissance et le pilotage à distance. La première phase de la thèse d'une durée de 9 mois consistera en un étude bibliographie relative au sujet et une étude de dimensionnement du dispositif en vue de choisir en fin de période, le meilleur couple céramique/métal pour assurer la fonction demandée. La deuxième phase d'une durée de 9 mois, consistera à réaliser des prototypes en céramique en géométrie plane, de les métalliser en testant plusieurs approches. Des caractérisations mécaniques, morphologiques et diélectriques seront réalisés pour évaluer notamment la qualité de l'interface obtenue. La troisième phase d'une durée de 12 mois consistera à réaliser le dispositif final en géométrie 3D. Des tests fonctionnels du dispositif seront réalisés. Les six derniers mois de la thèse seront réservés pour la rédaction.

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Nanocomposites avancés pour l'impression additive

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire Synthèse et Intégration des Nanomatériaux

Ingénieur / Master 2 en chimie - matériaux

01-10-2020

SL-DRT-20-0419

thomas.pietri@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

Les objectifs scientifiques proposés sont à la croisée des nanomatériaux et des techniques d'impression additive. Différentes technologies d'impression 3D de matrices polymériques ont été développées, permettant la conversion d'un modèle numérique en modèle physique avec une grande précision. Mais, sans doute en raison du développement très récent de ces technologies, les matériaux actuellement disponibles présentent des limitations pour de nombreuses applications, qui pourraient être résolues par l'utilisation de nanocomposites à haute performance. Le travail qui sera réalisé dans cette thèse consistera à réaliser la synthèse et la fonctionnalisation de nanomatériaux à forts facteurs de formes (nanofils, nanotubes), puis à les intégrer dans des matrices polymères. Après caractérisation des propriétés des nanocomposites ainsi obtenus, des fils de nanocomposites seront réalisés pour être utilisés dans la fabrication d'objets par impression 3D. Les nanocomposites à haute performance visés seront utilisés pour la réalisation de pièces ayant une forte conduction électrique et/ou thermiques. Des applications pour le domaine de la santé seront aussi envisagées.

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Evolutions microstructurales de matériaux issus de fabrication additive lors d'un traitement de compression isostatique à chaud : modélisation et étude expérimentale

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire Conception et Assemblages

Master 2 métallurgie. Calcul scientifique

01-10-2020

SL-DRT-20-0470

emmanuel.rigal@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

Les procédés de fabrication additive sont considérés comme des techniques d'avenir pour l'obtention de composants métalliques à partir de poudres ou fils. Les matériaux obtenus sont caractérisés par des microstructures très différentes de celles de leurs homologues coulés ou forgés. Elles sont hors d'équilibre, parfois anisotropes, présentent des intérêts (forte densité de dislocations par exemple) mais aussi des défauts (pores, infondus) nuisibles à certaines propriétés mécaniques (fatigue, fluage). Les défauts (ou leur nocivité) peuvent être diminués par un traitement thermique sous pression de gaz (CIC), au prix d'un effet de recuit qui adoucit le matériau. L'objectif de la thèse est de modéliser les évolutions microstructurales lors du traitement afin d'optimiser celui-ci, c'est-à-dire être capable de l'adapter à une microstructure de départ donnée, de diminuer suffisamment les défauts en contenant le recuit. Une caractérisation fine des microstructures sera nécessaire (défauts, taille de grain, densité de dislocations, précipités, texture?) afin d'alimenter le logiciel de simulation DIGIMU qui utilise la méthode Level set pour simuler, par calcul aux éléments finis, l'évolution d'un volume élémentaire représentatif d'une microstructure lors d'un chargement thermomécanique. Le logiciel devra être enrichi. La comparaison modèle/expérience permettra de juger la pertinence des résultats (cycles de CIC sur échantillon). On mesurera l'impact de cycles de CIC optimisés sur les propriétés mécaniques des matériaux d'étude (a priori, essentiellement l'acier 316L).

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Intégration de réseaux de Bragg haute température au sein de structures métalliques obtenues par fabrication additive

Département Métrologie Instrumentation et Information (LIST)

Laboratoire Capteurs Fibres Optiques

Master 2 Instrumentation, fibre optique, matériau, fabrication additive, métallurgie

01-10-2020

SL-DRT-20-0645

guillaume.laffont@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

Le sujet de thèse proposé par le laboratoire LCFO de la DRT (au LIST/DM2I/SCI) en partenariat avec le laboratoire LISL de la DEN (au DPC/SEARS), spécialiste de la fabrication additive métal, vise à développer des méthodes d'intégration de Capteurs à Fibres Optiques à réseaux de Bragg résistant aux très hautes températures au sein de pièces métalliques ? en particulier pour l'aéronautique ou l'industrie nucléaire ? réalisées en fabrication additive (impression 3D) métal. Des développements récents ont permis de développer des réseaux de Bragg ultra-stables en température (au-delà de 1000 °C) à l'aide de modes d'écriture directe par laser femtoseconde. Ces transducteurs de température et déformation, inscrits dans des fibres optiques spécialement conçues pour les environnements à très haute température, seront utilisés pour l'instrumentation de pièces métalliques obtenues par fabrication additive sur lit de poudre, voire par projection. Ce projet vise à rendre possible la surveillance in situ des composants et pièces structurelles métalliques obtenues par fabrication additive 3D métal, ouvrant ainsi la voie au SHM intégré (Structural Health Monitoring) pour anticiper toute défaillance du procédé et optimiser les coûts d'exploitation par la mise en place de procédures de maintenances prédictive et conditionnelle.

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Contrôle de la microstructure de pièce en fabrication additive par génération et détection d'ultrasons par laser

Département Imagerie Simulation pour le Contrôle (LIST)

Laboratoire Instrumentation et Capteurs

master 2 accoustique, physique

01-01-2020

SL-DRT-20-0757

jerome.laurent2@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

La fabrication d'additive (FA) métallique par fusion démontre un fort potentiel toujours croissant, et ceux dans des domaines d'applications très variés. Cependant, les systèmes existants présentent des limitations, en particulier sur la possibilité de pouvoir adapter les microstructures, et également de pouvoir détecter des défauts de fusion en ligne [1]. Pour dépasser ces limitations, il est nécessaire de développer de nouvelles stratégies de fabrication qui pourraient permettre d'adapter les conditions de solidification ainsi que des systèmes de contrôle non-destructif (CND) en ligne. Les procédés FA par projection de poudre (DED) ou encore par fusion laser sélective (SLM) utilisent une source d'énergie localement concentrée, laquelle génère de forts gradients thermiques qui conduisent le plus souvent à des microstructures fortement orientées ainsi qu'une rugosité de surface qui rend le contrôle ultrasonore et l'interprétation des mesures plus délicats. Les microstructures produites sont hors équilibre thermodynamique et sont dites à gros-grains ; elles se caractérisent par l'enchevêtrement de grains colonnaires et équiaxes. Ce type de microstructure influence à la fois le comportement mécanique, mais aussi la propagation d'ondes élastiques, puisque les dimensions de ces hétérogénéités sont proches des longueurs d'ondes acoustiques, ce qui a pour effet l'atténuation et la diffusion d'ondes. Un des défis majeurs à relever en fabrication additive consiste à réduire/empêcher la formation de grains colonnaires au cours de la fabrication, car leurs présences au sein de la microstructure sont, le plus défavorable pour les propriétés d'usage. En contrôlant les conditions thermiques pendant la solidification / cristallisation (vitesse de refroidissement, gradients de température) il est a priori possible de favoriser partiellement la formation de grains équiaxes. Il est aussi connu, qu'en insonnifiant un métal en fusion à l'aide d'ultrasons de forte intensité, il est possible de réaliser un « raffinement des grains », ou encore d'engendrer des phénomènes de cavitation, d'écoulements, de mélange, de pulvérisation, de dislocation, de diffusion et de transformation de phase [2]. En effet, lorsqu'un métal en fusion est soumis à une vibration élastique, il est a priori possible de « piloter » la structure de grains solidifiée, i.e. de modifier la direction de croissance et morphologie de la microstructure en cours de solidification. En perturbant ainsi les conditions de la solidification, alors, il est a priori envisageable de favoriser la formation de grains équiaxes, mais aussi de réduire la rugosité de surface, diminuer le nombre de défauts. Ce constat pose l'objectif de cette thèse qui vise à « façonner » des microstructures plus optimales en FA par vibration du bain de fusion et réaliser une inspection en ligne et hors ligne par méthode ultrasons-laser (UL). D'une part, le travail consistera à contrôler l'évolution microstructurale de pièce FA par vibration sans contact du bain de fusion (au CEA-DEN-LISL [3]). Ainsi, on cherchera à modifier les dynamiques du bain de fusion, par exemple perturbant l'effet Marangoni et déstabilisant la croissance dendritique dans la zone de solidification, à l'aide d'ondes élastiques induites par laser modulé ou impulsionnel. L'étude des paramètres de contrôle sera réalisée sur un banc d'essai à développer et instrumenter (caméras rapide, thermique ou Schlieren, et pyromètres) pour engendrer des « microstructures optimisées ». D'autre part, le travail (au CEA-DRT-LIST-LIC) consistera à inspecter en ligne la fabrication de tels échantillons par méthode UL (développement d'un système dédié). Ainsi, on cherchera à générer et détecter des ultrasons par laser dans le bain de fusion, pour suivre, par exemple, l'évolution du front de solidification, l'apparition de keyhole, la pénétration optique, etc. à l'aide des précurseurs acoustiques [4]. Des mesures de caractérisations ultrasonores, dans des conditions de laboratoires, seront également réalisées afin de déterminer les propriétés élastiques par UL en régime thermoélastique [5], que ce soit à l'aide d'ondes de surface ou des résonances ZGV (coefficient de Poisson locale, anisotropie, épaisseur), et autres méthodes CND disponible au LIST, que l'on pourra ensuite comparer aux images EBSD (méthode d'homogénéisation) et coupes métallurgiques. Des simulations par FDTD ou EF de la propagation d'ondes dans ces milieux rugueux et hétérogènes sera aussi envisagé. Références : [1] Zhao et al, Phys. Rev. X, 9, 02052, (2019), Wolff et al, Sci. Rep., 9, 962, (2019), Martin et al., Nat. Com., 10, 1987, (2019), Wei, Mazumder & DebRoy, Sci. Rep., 5, 16446, (2015). [2] G. I. Eskin & D. G. Eskin, ?Ultrasonic melt treatment of light alloy melts', 2nd edn, Boca Raton, FL, CRC Press, (2014), M. C. Flemings, ?Solidification processing', McGraw-HilI press, (1974), T.T. Roehling et al., Acta Materialia 128, 197, (2017), M.J. Matthews et al., Optics Express 25, 11788, (2017). [3] P. Aubry et al., J. Laser Appl., 29(2), (2017). [4] Walter & Telschow, QNDE, 15, (1996), Walter, Telschow & Haun, Proc COM, (1999), Carlson and Johnson, WJ, (1998), He, Wu, Li & Hao, Appl. Phys. Lett., 89, (2006). [5] Clorennec, Prada & Royer, Murray, Appl. Phys. Lett., 89, (2006), Laurent, Royer & Prada, Wave Motion 51(6), (2014), Laurent, Royer, Hussain, Ahmad & Prada, J. Acoust. Soc. Am. 137(6), (2015). Laboratoire d'Ingénierie des Surfaces et Lasers (LISL) Laboratoire Instrumentation et Capteurs (LIC)

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Amélioration du procédé d'assemblage par Soudage Diffusion pour la réalisation de réacteurs échangeurs de grandes dimensions : identification des défauts critiques de soudage et modélisation de leur cinétique de fermeture

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire Conception et Assemblages

Master 2 Sciences des matériaux

01-09-2020

SL-DRT-20-0841

isabelle.moro@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d'économie de matériaux (.pdf)

Le procédé d'assemblage par soudage diffusion à l'état solide est utilisé depuis de nombreuses années pour la fabrication de composants destinés notamment à la réalisation d'échanges thermiques. Concrètement, ils sont constitués de plaques usinées, empilées, puis mises sous vide dans un conteneur. Ce dernier est introduit dans une enceinte de Compression Isostatique à Chaud (CIC) qui, par l'application simultanée d'une haute pression et d'une haute température, permet l'assemblage des plaques entre elles par diffusion atomique. Les objectifs principaux de la thèse sont d'une part l'amélioration du modèle permettant de décrire la cinétique de fermeture des pores aux interfaces de soudage, travail à la fois expérimental et numérique, et d'autre part la quantification de l'influence de différentes géométries et taux de pores résiduels sur la tenue mécanique de ces mêmes interfaces. Ceci devra permettre au final de définir des cycles de CIC qualifiés de « dégradés », c'est à dire qu'ils permettent d'assurer un minimum de déformation macroscopique de l'échangeur lors de son assemblage par CIC, quitte à accepter des défauts de soudage de type pores résiduels aux interfaces. Toutefois, le travail aura permis de distinguer les défauts admissibles de ceux qui ne le sont pas, et via la modélisation de prédire leur fréquence, leurs géométries exactes et leurs localisations préférentielles. Cette thèse présente donc à la fois des aspects expérimentaux et numériques, et ce au service d'un enjeu technologique fort. Dans un premier temps, l'étude portera sur un matériau de référence de type 316L ayant déjà fait l'objet de nombreuses études préliminaires. Son comportement a déjà été étudié dans une gamme de température allant de l'ambiante à plus de 1000°C, et une loi de comportement adaptée ainsi que les paramètres associés ont été déterminés et validés. De nombreuses structures en matériau de type 316L ayant déjà été assemblées par CIC, un retour d'expérience important existe d'ores et déjà au sein du laboratoire concernant l'assemblage de ce type de matériau. Le travail à réaliser pendant la thèse consistera alors en la réalisation d'assemblages par CIC sur des tôles présentant différents types de défauts et de géométries variées, ces défauts ayant été soigneusement caractérisés. Un suivi de l'élimination progressive de ces défauts lors du soudage diffusion et la modélisation de ce processus via le modèle de Hill et Wallach permettra de mettre en lumière des manquements ou inadéquations des différents mécanismes constitutifs de ce même modèle, ce qui n'a jamais été réalisé jusque-là. Ces travaux donneront lieu à une amélioration du modèle de Hill et Wallach utilisé actuellement. Dans un second temps, nous chercherons à identifier la nocivité de différents défauts en fonction de leur géométrie, de leur fréquence et de leur localisation. Pour ce faire, des assemblages types seront réalisés puis testés. Il sera également nécessaire d'identifier le ou les essais mécaniques les plus pertinents, ce qui peut être également fonction de la localisation du défaut dans l'assemblage. Ainsi, un défaut situé dans une rive latérale d'un échangeur ne voit pas lors du fonctionnement de l'échangeur le même chargement thermo-mécanique qu'un défaut localisé dans un isthme. Ce travail permettra à terme de différencier dans un assemblage les défauts de soudage aux interfaces rédhibitoires, de ceux acceptables. Au final, ces deux axes de recherche permettront d'une part via la modélisation de prédire finement la géométrie des pores résiduels aux interfaces après assemblage par CIC, et d'autre part d'être capable de prédire si ces défauts après soudage diffusion sont critiques pour la structure ou pas. Il sera ainsi possible de définir, en termes d'évolution de la pression et de la température pendant l'assemblage par CIC, un cycle optimisé qui permettra à la fois la minimisation des déformations macroscopique de la structure, et l'obtention d'un soudage suffisant pour assurer le fonctionnement de l'échangeur.

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