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

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Etude et développement de matériaux thermoélectriques par fabrication additive

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire de Modélisation et Matériaux pour la Métallurgie

Ingénieurs, Master2

01-10-2021

SL-DRT-21-0536

guilhem.roux@cea.fr

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

Depuis plus de 15 ans, le laboratoire L3M du CEA-Liten a acquis une grande expérience en thermoélectricité (TE), notamment dans les technologies films minces et massifs. La thermoélectricité permet de convertir l'énergie thermique en énergie électrique (effet Seebeck), et réciproquement (effet Peltier). Depuis 5 ans, le L3M s'est également doté d'une expertise en fabrication additive (FA), principalement pour les matériaux métalliques. L'utilisation de la FA pour la TE offre de nouvelles perspectives, et permet notamment d'accéder à des géométries complexes (optimisation du rendement de conversion global et/ou meilleure intégration), avec moins de perte de matériaux, une diminution significative du challenge d'intégration et d'interface, un temps de fabrication raccourci, un coût plus bas et la possibilité de réaliser des dispositifs très rapidement par rapport aux autres technologies. Le principal verrou consiste à obtenir des matériaux d'aussi bonne qualité que les autres technologies (densité, microstructure), ce qui passera par un développement approfondi du procédé. Deux familles de matériaux seront testées : le Bi2Te3 et le MnSi/FeGe. La première est la référence dans la gamme de température 300-550 K et la seconde dans la gamme 500-700 K. L'objectif de la thèse sera donc d'étudier et d'optimiser les mécanismes de fabrication des matériaux par FA (avec la technologie fusion laser sur lit de poudre L-PBF). Cette étude devra notamment permettre de comprendre et de mettre en avant les spécificités des mécanismes de la fabrication additive sur les propriétés structurelles des matériaux TE. Cette étude structurelle approfondie comprendra également les mesures des propriétés mécaniques, ainsi que les analyses microscopiques. Elle devra également être corrélée aux mesures expérimentales des propriétés thermoélectriques des matériaux fabriqués (coefficient Seebeck, conductivité électriques et thermiques). Par ailleurs, à ce jour, aucun dispositif thermoélectrique n'a jamais été fabriqué par cette technologie. La fabrication d'un dispositif TE nécessite d'associer deux matériaux thermoélectriques et de les assembler ensemble, en optimisant les contacts électriques entre les deux matériaux. Le CEA-Liten a déposé un brevet pour la fabrication originale d'un tel dispositif à partir de la fabrication additive. Ainsi, la réalisation et la caractérisation électrique d'un premier prototype thermoélectrique seront également développées dans le cadre de ces travaux de thèse, permettant là aussi de mettre en évidence les avantages de cette technique de fabrication, tels que la réalisation de géométrie complexe, moins de perte significative de matériaux, un temps de fabrication raccourci, etc.

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Matériaux architecturés pour échangeurs thermiques appliqués à la transition énergétique

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire de Modélisation et Matériaux pour la Métallurgie

diplôme d'ingénieur ou Master 2

01-09-2021

SL-DRT-21-0731

guilhem.roux@cea.fr

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

Le projet concerne l'éco-innovation de structures architecturées multi-échelle à imprimer en 3D pour des échangeurs-réacteurs innovants. L'ambition est l'amélioration des performances en termes de cinétiques, de stabilité et de sélectivité des réactions utilisées pour le domaine de l'hydrogène. Les structures développées seront optimisées par simulation numérique thermique afin de maximiser leur efficacité en tirant parti des avantages de la Fabrication additive. Les applications visées sont la production de gaz de synthèse par procédés catalytiques : la méthanation du CO2 [1], les réactions de Fischer-Tropsch, la technologie LOHC ou encore la décomposition du NH3. Dans le cadre de la thèse, il est proposé qu'une de ces applications soit traitée en priorité. Les verrous techniques considérés durant cette thèse seront la mise au point d'outils numériques de simulation thermo-fluidique à l'échelle des cellules élémentaires (Volume Élémentaire Représentatif) en couplant une simulation thermique pour la partie solide et une méthode de Boltzmann sur réseau pour la partie fluide. Par stratégie de changement d'échelle, des modélisations à l'échelle représentative des sections utiles des réacteurs (calcul mésoscopique) ainsi qu'à l'échelle complète des réacteurs seront réalisées par méthode aux éléments finis (Comsol). Un screening des structures élémentaires sera préalablement réalisé afin d'identifier les structures les plus adaptés pour chaque application, en s'appuyant sur un outil de conception de structures élémentaires. Les attendus applicatifs finaux nourriront plusieurs leviers d'action de l'économie circulaire pour réduire les impacts économiques (compétitivité avec des échangeurs plus compacts, plus sélectifs) et environnementaux (sobres en énergie et en matière) : augmentation de l'efficacité du procédé, augmentation des durées de vie des catalyseurs et diminution de l'impact écologique par une analyse d'impact environnemental comparée (ACV). Cette thèse sera conduite en collaboration entre DAM/Le Ripault et DRT/Liten. La première année de thèse sera menée à Le Ripault (Tours) et les deux dernières années à Grenoble.

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Elaboration de matériaux multifonctionnels, application à l'hydrogénation catalytique du CO2 en méthanol et dimethyl-ether

Département Thermique Conversion et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire réacteurs et procédés

génie des procédés, génie des matériaux, génie chimique

01-09-2021

SL-DRT-21-0750

albin.chaise@cea.fr

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

La synthèse d'hydrogène par électrolyse de l'eau couplée à l'hydrogénation catalytique de CO2 en hydrocarbures ou oxygénés de forte densité énergétique (méthanol, DME?) peut permettre de décarboner certains modes de transport (maritime, aérien) difficilement électrifiables et de fournir une matière première pour l'industrie chimique durable. Cependant ces réactions d'hydrogénation sont limitées thermodynamiquement. La présente proposition de thèse vise à développer un système couplant la réaction catalytique (sur catalyseur CuZnO/Al2O3 et zéolithes) avec la-déshydratation du milieu par séparation et/ou adsorption des molécules d'eau (sur membranes/adsorbants zéolithes ZSM5 et LTA) pour la synthèse directe de Dimethyl Ether (DME) à partir de CO2 en mettant en ?uvre des matériaux non critiques (Cu, Zn, Al) et recyclables ainsi que des procédés de dépôt des zéolithes à faible impact environnemental (CO2 supercritique, hydrothermal, micro-ondes) ou utilisant des bio-templates. Un axe essentiel de la synthèse est l'obtention d'une croissance orientée en 3D des zéolithes limitant les défauts, d'abord sur des surfaces planes, puis sur des structures 3D céramiques et éventuellement métalliques. Les performances du matériau (capacité de sorption, perméabilité, sélectivité) seront testées sur des échantillons, puis en présence de catalyseur CuZnO/Al2O3 et enfin dans la structure 3D du réacteur à l'échelle de quelques L min-1 de réactif.

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Simulation Numérique de la mise en ?uvre de lits de poudres pour la fabrication additive 3D

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire de Modélisation et Matériaux pour la Métallurgie

Master 2

01-09-2021

SL-DRT-21-0752

guilhem.roux@cea.fr

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

Le projet concerne l'étude de l'étalement de poudres dans le cadre des procédés de fabrication additive sur lit de poudre, en particulier les procédés L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion) et MBJ (Metal Binder Jetting). L'ambition est de doter le CEA d'un outil de simulation fiable permettant de reproduire ce qui se passe pendant cette étape clef, lorsque le lit de poudre réel (destiné à être fusionné ou aggloméré selon les technologies) est étalé. Ce projet sera alimenté par des résultats issus d'un banc d'étalement instrumenté dédié ainsi que par des essais élémentaires. La simulation s'appuiera sur les méthodes DEM (discrete element method, [1]), bénéficiant de développements acquis par les partenaires (DES/IRESNE) en transitique des poudres et de premiers développements en cours (DRT/LITEN). Les modèles de comportement d'interaction particulaires seront alimentés des données issues d'un nombre important de techniques de caractérisation du comportement de poudres en conditions d'écoulement élémentaires. Les modèles seront ensuite confrontés à des résultats d'essais élémentaires, puis à terme sur des résultats en vraie grandeur obtenus sur le banc d'étalement du LITEN Aujourd'hui, de nombreux travaux sont conduits sur ce sujet ([2] [3] [4] [5]), mais ils portent sur des poudres idéalisées, sphériques et monodisperses. L'originalité par rapport à l'état de l'art est d'investiguer au-delà des comportements de poudres modèles en prenant en compte l'état morpho-physicochimique réel (rugosité de surface, sphéricité, charge électrostatique, humidité, état d'oxydation,?) des poudres. En particulier, un objectif sera d'appréhender les mécanismes de vieillissement des poudres et leur conséquence sur la coulabilité, véritable enjeu industriel. De plus, cette étude permettra de montrer les conséquences sur la coulabilité de poudres composites développées au CEA ([6] [7]). Cette thèse sera conduite en collaboration entre DES/IRESNE et DRT/LITEN.

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