Дисертації з теми "Dépôt de poudres par fusion laser"

La fabrication additive est une famille de procédés permettant de construire des pièces finies, saines, de géométries très complexes, tout en diminuant le temps de développement des pièces, les coûts et les délais vis-à-vis des techniques de fabrication conventionnelles. Le point commun à tous ces procédés est de construire une pièce directement à partir des données CAO définissant sa géométrie sans outillage autre que la machine de fabrication additive.Cette thèse de Doctorat s'inscrit dans le projet de recherche FALAFEL (Fabrication Additive par procédé LAser et Faisceaux d’ÉLectrons) rassemblant les filières aéronautique et procédés laser dans le but de mettre en œuvre, d’améliorer et de valider des procédés de fabrication additive de pièces métalliques, dans des conditions industrielles et sur des composants aéronautiques.L'objectif est de proposer un modèle numérique permettant d’obtenir, dans des temps raisonnables, des informations sur les caractéristiques thermique, métallurgique et mécanique de pièces industrielles en titane Ti-6Al-4V destinées à être fabriquées par deux procédés de fabrication additive : la projection de poudre (Direct Metal Deposition ou DMD) et la fusion laser sélective (Selective Laser Melting ou SLM)
Additive manufacturing processes allow to build finished industrial parts with very complex geometry, while reducing development time and costs compared to conventional manufacturing processes. The main principle of all these processes is to build components directly from a CAD file defining its geometry without requiring any mold nor specific tools.This study is part of the FALAFEL research project focused on additive manufacturing processes by laser and electron beams. It is composed of academic research laboratories and industrial partners from Aeronautics and Laser Processes industries. The main goal of this project is to implement, improve and validate additive manufacturing processes regarding the production of metallic components for Aeronautics. Studies are conducted under industrial conditions.The aim of our thesis is to provide a numerical model to obtain, within a reasonable time, information about the mechanical and metallurgical properties of industrial components made out of titanium Ti-6Al-4V. It is aimed at two additive manufacturing processes: the Direct Metal Deposition (DMD) and the Selective laser melting (SLM)

La fabrication additive offre des libertés de conception et d’utilisation accrues grâce à l’obtention de pièces couche par couche à partir d’un modèle CAO. La réparation de pièces, le prototypage et l’ajout de fonctionnalités sont à l’heure actuelle les principales applications des procédés additifs. Dans ce contexte de nombreux challenges restent à résoudre pour atteindre la maitrise de ces procédés. L’un des principaux verrous à l’utilisation de la fabrication additive métallique reste la dimension des pièces pouvant être obtenues. La catégorie de technologie Direct Energy Deposition (DED), en particulier le dépôt de poudres par fusion laser, offre une solution à ce verrou en construisant la matière sans limites de dimension ni de forme. Afin d’augmenter la compréhension de ce procédé des travaux à la fois expérimentaux et numérique ont été conduit. Ces travaux s’attachent à la maitrise d’aciers à très hautes performances pour la production de planchers blindés ainsi qu’à la prédiction de la géométrie de cordon par la simulation numérique dans des temps de calcul très court.L’obtention de trois aciers inoxydable martensitique présentant de très hautes performances mécaniques (Re> 1000MPa, Rm> 1200 MPa et A%>12%) a été réalisée grâce à la maitrise des conditions thermiques au cours de la fabrication. Une attention particulière est portée sur la stabilité de la microstructure lors de la construction d’un volume par Laser Metal Deposition – poudre. L’évolution de comportement mécanique de ces matériaux en fonction de traitements thermiques et de la direction de sollicitation est également discuté.Une nouvelle stratégie numérique permettant l’obtention de la forme de la surface libre du bain fondu au moment de la solidification a été développée. Cette stratégie numérique permet de modéliser la géométrie des cordons à partir des paramètres procédés sans réaliser de calcul thermo-fluide. Le modèle numérique est également capable de reproduire l’affaissement de l’épaisseur de couche au cours de la construction d’un mur dans des temps de calcul très courts
Additive manufacturing allows a greater freedom of geometry thanks to the layer-by-layer construction of the parts from a CAD model. Reparation, prototyping and functionalisation are the main applications of the additive processes. Therefore, many challenges are still to overcome in order to master those processes. One of the main challenges is the dimensions of the parts built by metallic additive manufacturing.The Direct Energy Deposition technologies, specifically powder fed Laser Metal Deposition, are a solution to build parts without neither dimension nor geometric limitations. Experimental and numerical work has been conducted in the objective of improving the understanding of this process. This work focus on mastering high mechanical performances as well as predict bead geometry thanks to the numerical simulation.Three martensitic stainless steel showing high mechanical performances (YS> 1000MPa, UTS> 1200 MPa et E%>12%) are obtained. A specific attention has been paid to the microstructure and its stability during the build-up the volumes. The effect of the heat treatments on the mechanical properties was investigated to improve the performances.A new numerical strategy simulating the freeform of the melt pool surface has been developped. The strategy allow the modelisation of the bead’s geometry from process parameters without any thermo-fluid calculation. The model is able to reproduce the bead’s thickness evolution during a wall build-up in short computation time

De nos jours, la course au développement de matériaux toujours plus innovants et performants fait subir une constante pression à un grand nombre de secteurs industriels. Parmi eux, l’aéronautique, l’aérospatial, les secteurs de transport et de production d’énergie cherchent à alléger la structure de leurs équipements afin d’en réduire la consommation en énergie et minimiser leur empreinte environnementale. Cet allègement se traduit généralement par la conversion des matériaux métalliques et denses vers des matériaux plastiques et plus légers. La spécificité de ces domaines d’utilisation, ainsi que les conditions de température, de pression, et de vieillissement accéléré auxquelles sont contraints certains de leurs équipements imposent néanmoins un cahier des charges très précis. Le procédé de frittage sélectif par laser (également appelé SLS), récemment mis en œuvre pour la fabrication de pièces thermoplastiques, constitue un grand intérêt pour ces différents secteurs d’activité dans lesquels des pièces sur mesure et à géométrie complexe sont requises. Ce procédé consiste à la fabrication couche par couche de pièces par fusion sélective de grains de poudre à l’aide d’un laser. Le PEKK, copolymère thermoplastique semi-cristallin de hautes performances, valide de nombreux critères lui permettant d’être, depuis quelques années, utilisé dans la fabrication de pièces par SLS. Cependant, la connaissance encore limitée que nous avons de ce polymère complexe, ainsi que sa structure de type copolymère, nécessitent encore à ce jour un travail de recherche conséquent. Cette thèse a eu ainsi pour but, sur une famille de PEKK déjà commercialisée, d’approfondir nos connaissances des propriétés de cristallisation et de fusion qui jouent un rôle essentiel dans la fabrication de pièces par la technologie SLS. Un deuxième objectif était de développer une nouvelle famille de copolymères PEKK à structure régulière. Afin de comprendre au mieux les propriété s de cristallisation de nos polymères, un modèle a été utilisé et une mise en commun de données SAXS / WAXS, DSC et rhéologiques est réalisée. La voie d’une utilisation en SLS d’une nouvelle famille de PEKK à chaîne alternée, jusque-là très peu explorée, a également été étudiée
Nowadays, the need to develop ever more innovative and efficient materials puts constant pressure on a large number of industrial sectors. Among them, aeronautics, aerospace, transport and energy production sectors seek to lighten the structure of their equipment in order to reduce energy consumption and minimize their environmental footprint. This reduction generally results in the conversion of metallic and dense materials towards plastic and lighter materials. The specificities of these industrial sectors, as well as the conditions of temperature, pressure, and accelerated aging to which some of their equipment are constrained, impose very precise specifications. The selective laser sintering process (also called SLS), recently implemented for the manufacture of thermoplastic parts, is of great interest for these different sectors of activity in which custom-made parts with complex geometry are often required. This process consists of the layer-by-layer manufacturing of parts by selective melting of powder by a laser beam. PEKK, a high performance semi-crystalline thermoplastic copolymer, validates many of the criteria for use in SLS manufacturing. However, the still limited knowledge that we have of this polymer, as well as its copolymer-like structure, still require substantial research work to this day. The aim of this work was to deepen our knowledge of the properties of crystallization and melting of a commercially available PEKK grade designed for use in SLS. These properties are of key importance for the successful implementation of the SLS process. A second objective was to develop a new grade of PEKK copolymers with a regular structure. In order to better understand the crystallization properties of our polymers, a model was used and a combination of SAXS / WAXS, DSC and rheological studies is carried out. The way of using in SLS the new grade of PEKK, hitherto very little explored, was also studied. We demonstrated that the copolymer with the regular chain structure exhibits a much simpler crystallization mechanism and a higher crystallization enthalpy which may be a advantage for use in SLS

The accomplished doctoral study concerns the interaction of the powerful laser radiation with powder metallic materials. The problem is of a great scientific interest, since it is a multi-disciplinary subject integrating powder metallurgy, thermo-physics, radiation and heat tranfer, phase transformations. Along with this, the subject has a considerable practical interest because Laser-assisted Direct Manufacturing based on Selective Laser Melting (SLM) is an emerging technology for manufacturing 3D functional objects with great added value, and also complex customized parts. Systematic study is accomplished for the powder materials currently employed in laser-assisted direct manufacturing : stainless steel 316L (-25 µm), tool steel H13 (-25 µm), Inconel 718 (-25 µm), CuNi10 (-25 µm), titanium grade 2 (-25 µm) and NiTi (-45 µm) ; stainless steel 904L (-16 µm et -7 µm), Inconel 625 (-16 µm), Co212F (CoCr, -31 µm). The above mentioned powders were employed in the experimental study for fabrication of 2D planar objects, 3D models and functional components. Comprehensive experimental research on laser-matter interaction are carried out for interaction of a powerful (0. 3-1. 3x106 W/cm²) moving laser beam with a complex system « metallic powder on solid metallic substrate ». Manufacturing strategies allowing 100% density on the fabricated objects are found. Optimal parameters for stable SLM process are determined
L'objectif principal de la thèse de doctorat présentée dans ce mémoire est l'étude de l'interaction d'un faisceau laser de puissance avec des poudres métalliques. Le sujet est d'un grand intérêt scientifique par sa multidisciplinarité intégrant la métallurgie de poudres, la physique thermique, le transfert de chaleur et radiatif, la transformation de phases. En même temps, le sujet a une signification pratique considérable car la Fabrication Directe par fusion laser sélective des poudres (SLM) est une technologie émergente de fabrication d'objets 3D avec une grande valeur ajoutée et de pièces fonctionnelles complexes sur mesure. Une étude systématique a été réalisée sur les poudres actuellement utilisées dans la Fabrication Directe assistée par laser : Inox 316L (-25 µm), acier d'outillage H13 (-25 µm), Inconel 718 (-25 µm), CuNi10 (-25 µm), Ti grade 2 (-25 µm) et NiTi (-45 µm) ; Inox 904L (-16 µm et -7 µm), Inconel 625 (-16 µm), Co212F (CoCr, -31 µm). A partir de ces poudres, des objets plats 2D, des modèles 3D et des pièces fonctionnelles ont été fabriqués. Des recherches expérimentales approfondies sur l'interaction laser/matière sont effectuées, plus particulièrement sur l'interaction d'un faisceau laser de haute puissance mobile (0. 3-1. 3x106 W/cm²) avec un système complexe de poudres métalliques sur substrat métallique solide. Les stratégies de fabrication permettant d'obtenir la densité 100% de pièces résultantes sont identifiées. Les paramètres optimaux pour assurer la stabilité du procédé SLM sont définis

Au cours de la dernière décennie, le procédé de fabrication additive par fusion sélective d'un lit de poudre SLM a attiré une grande attention dans le domaine de l'industrie, car il permet de produire rapidement des pièces de formes complexes. Le but de ce travail est d'étendre les performances des procédés SLM en étudiant la possibilité d'élaborer des pièces en atmosphère raréfiée. Pour atteindre cet objectif, une approche théorique et expérimentale a été développée, avec la mise en place d'une machine de fusion sélective par laser capable de travailler dans le domaine de pression de 1 à 10-2 mbar.Le travail sous vide permet d'éviter la formation du "bouclier" de plasma généré à partir de l'atmosphère de gaz ionisé par l'énergie du laser. Ceci permet d'une part d'éviter la contamination chimique du matériau (oxydation, nitruration,...) au cours des processus de fusion et d'autre part de réduire le taux de porosité. L'effet des paramètres du laser et des variables d'environnement sur la qualité de pièces a été étudié en considérant le cas du fer pur, de l'acier Inox 316L et du titane.Par ailleurs nous avons étudié la possibilité d'obtenir des alliages in-situ au cours de la fabrication par la technique SLM à partir de mélanges de poudres.Des essais ont été conduits à partir de mélanges Mg/Al, Fe/Ni et Ti/Ni. Dans tous les cas nous avons pu obtenir des alliages in-situ pour les domaines de composition visés qui correspondent à des applications pratiques (structures légères, alliage magnétique à faible coercivité, alliage à mémoire de forme). Les propriétés des matériaux obtenus, d'après les premières caractérisations effectuées, se comparent de façon favorable par rapport aux techniques classiques d'élaboration et de mise en œuvre.

Pendant de nombreuses années, les composants passifs hyperfréquences ont été utilisés dans des systèmes de communication notamment pour des chaînes d'alimentation d'antenne. Ce type d'équipement radiofréquence est déjà largement opérationnel dans différents domaines tels que les communications satellite, les radars, les observations spatiales etc. en raison de leurs avantages de faibles pertes ainsi que de leur capacité élevée de gestion d'énergie. Seulement, avec l'émergence de nouvelles technologies et une concurrence considérable sur le marché de la défense, les clients sont de plus en plus demandeurs de produits de moins en moins coûteux avec des délais d’obtention toujours plus courts, avec des exigences liées aux performances toutes aussi élevées.Ces dernières années, plusieurs institutions et industries se sont intéressées de plus en plus aux procédés de fabrication additive pour les composants à propagation guidée. Ne nécessitant pas de brut de matière ni d'outillage dédié, les technologies additives apportent de nouvelles perspectives de conception. En particulier, l'ajout de matière couche par couche autorise la fabrication de pièces monolithiques, qui permettraient d'alléger les équipements et de réaliser des économies de temps et de coûts. D'autre part, l'une des plus grandes promesses de la fabrication additive réside dans les degrés de liberté supplémentaires qu'elle offre en conception, permettant de concevoir des architectures complexes et innovantes aux performances accrues, qui seraient irréalisables par des techniques conventionnelles. A ce titre, la fabrication additive a été identifiée comme pouvant jouer un rôle crucial dans le développement de ce type de pièce.Cependant, comme tout procédé de fabrication, les procédés additifs possèdent leurs propres spécificités et contraintes liées aux phénomènes physiques mis en jeu au cours de la fabrication et dont il est nécessaire de tenir compte au cours de la phase de conception pour tirer pleinement profit des avantages qu'ils offrent. Ajoutées aux exigences hyperfréquences, le concepteur doit alors être en capacité d'identifier les liens qui existent entre les domaines de la conception, du procédé et électromagnétique pour garantir une pièce de qualité conforme au cahier des charges.L'objectif de ces travaux de thèse est double. Le premier consiste à identifier les spécificités du procédé de fusion laser sur lit de poudre qui influent majoritairement sur les performances électromagnétiques, de manière à y apporter une attention particulière en phase de conception. Le second porte sur l'élaboration d'une méthode qui intègre les contraintes et opportunités de la fabrication additive tout en répondant aux objectifs, globaux et locaux, issus du cahier des charges hyperfréquences de manière à fabriquer des composants opérationnels
For many years, passive microwave waveguide components have been used in communication systems, particularly for antenna feed chains. This kind of radiofrequency equipment is already widely operational in various fields such as satellite communications, radars, space observations, etc. Because of their low loss as well as their high energy management capacity. However, the emergence of new technologies and the significant degree of competition that occurs within the defense market, customers are increasingly calling for lower-cost products, shorter lead times, with requirements equally high.Over the past years, several institutions and industries have become more and more interested in additive manufacturing processes for passive waveguide components. Without any need for raw material or dedicated tools, additive technologies bring some new design perspectives. In particular, the addition of material layer by layer promotes the manufacture of monolithic parts, which would contribute to lighten the weight of antennas and save time and costs. On the other hand, it offers additional degrees of freedom during the design stage, encouraging the development of complex and innovative architectures, resulting in increased performance, which would be unachievable by conventional techniques. As such, additive manufacturing has been identified as being able to play a crucial role in the development of this type of part.However, like any other manufacturing process, additive processes involve several physical phenomena and so have their own manufacturing specificities and constraints to consider during the design phase to benefit fully from all the potential of additive manufacturing. Combined with the microwave requirements, the designer must then be able to identify the correlation between design, process and electromagnetic to guarantee a quality part conforming to the specifications.The objective of this study is twofold. The first one consists of identifying the specificities of the laser beam melting process with a major influence on electromagnetic properties, in order to be able to pay special attention during the design phase. The second concerns the development of a method that incorporates the constraints and opportunities of additive manufacturing while meeting the objectives arising from the microwave specifications

Le procédé de fusion sélective par laser est un des nombreux procédés de fabrication additive qui permet la production rapide de pièces à partir d'un fichier CAO (conception assistée par ordinateur) et de lits de poudre. Après une description du fonctionnement du procédé par l'intermédiaire de ses paramètres opératoires, le manuscrit décrit les travaux entrepris pour l'élaboration de pièces en Inconel 625. Ce superalliage à base nickel a fait l'objet d'une étude paramétrique pour déterminer un jeu de paramètre optimal permettant de produire des pièces saines. Cette étude est basée sur des considérations énergétiques qui visent à maximiser le rendement de conversion de l'énergie électromagnétique en énergie thermique tout en assurant la cohésion entre couches. Des essais de traction valident la stratégie employée au niveau de l'étude paramétrique. Un second alliage est étudié, l'Inconel 738 qui est un superalliage renforcé par la précipitation d'une phase γ'-Ni3(Al,Ti). Les travaux entrepris ne concernent pas l'élaboration mais la caractérisation de l'alliage. Il est mis en évidence que celui-ci est dans un état hors de l'équilibre thermodynamique lorsque produit par fusion laser sélective. La précipitation de la phase durcissante n'est pas complète. Ce constat peut permettre d'éviter la fissuration de l'alliage pendant la fabrication en adaptant les paramètres opératoires, notamment au niveau du préchauffage. Une étude sur les traitements thermiques montre que la gamme appliquée traditionnellement à l'alliage coulé ne convient pas pour l'alliage élaboré par fusion sélective ; cette étude ouvre sur des alternatives. Enfin, ces travaux apportent quelques éléments de réponse quant à la pertinence énergétique du procédé
The selective laser melting (SLM) process is one of the many additive manufacturing processes that allow to rapidly build a part from a computer-aided design (CAD) file and from a powder bed. The work described here deals with the different parameters related to the process, namely the building platform stepping and the laser radiation and its interaction with the metallic matter. The first Ni-based superalloy studied here is Inconel 625 which has been subjected to a parametric study with an energetic approach. It was all about finding the maximum in the conversion of electromagnetic energy into thermal energy. Tensile tests validate the use of the energetic strategy for this alloy. The second studied alloy is Inconel 738 which is hardened by fine γ'-Ni3(Al,Ti) precipitates. Microstructure observations and differential thermal analysis reveal that the γ' precipitation is not complete when the alloy is processed by SLM. This leads to give clues for crack-free processing by adjusting the parameters and especially the preheating feature. Different heat treatments on SLMed materials have been investigated. It appears that the standard procedure applied on cast alloy to reach proper microstructure for good mechanical properties is not adapted to the SLMed alloy. New standards must be defined to comply with the initial out of equilibrium state. Last but not least, the manuscript gives information regarding the energetic use of the process which should be compared with the will of environmental impact reduction policy called by the process

Les procédés additifs, auxquels appartient la fusion laser de poudres métalliques, ont la capacité de créer des structures à géométries complexes, avec la possibilité d'intégrer des formes creuses, par exemple des canaux de refroidissement assurant un contrôle thermique optimum. Ce procédé permet de fabriquer des pièces réelles à partir de poudres métalliques, par fusion du matériau, couche par couche, en accord avec le modèle CAO. Au cours du procédé, de nombreux cycles thermiques et d'importants gradients thermiques se produisent dans la pièce au cours de sa fabrication. Ces gradients de température induisent des déformations plastiques hétérogènes et de ce fait des contraintes résiduelles. Ces contraintes peuvent nuire à la qualité de la pièce obtenue, par exemple sa résistance mécanique. Ces travaux ont pour objectifs de proposer un modèle numérique, s’appuyant sur la méthode des éléments finis afin d'étudier l'apparition des contraintes résiduelles lors du procédé de fusion laser de poudres métalliques. Le logiciel multiphysique ABAQUS® a été utilisé pour effectuer les analyses thermiques et mécaniques. La technique « d'ajout et de suppression des éléments » a été utilisée afin de simuler la fusion et la solidification de la matière au cours du procédé. Les propriétés mécaniques dépendantes de la température de l'acier maraging, utilisé dans notre cas, ont été obtenues à l’aide d’essais expérimentaux de caractérisations et intégrées dans le modèle. Les calculs sont réalisés de manière découplée, dans un premier temps le calcul thermique est effectué, puis les résultats sont utilisés pour réaliser le calcul mécanique et finalement prédire les champs de contraintes. Dans le cadre de ce travail, une méthode originale s'appuyant sur la technique de mesure des contraintes résiduelles par enlèvement de couches successives a été mise au point pour mesurer ces contraintes en direct au cours du procédé. Les résultats renseignent sur le niveau et la distribution des contraintes dans la pièce créée et le support. Deux paramètres ont été testés afin d'étudier leur influence sur le niveau des contraintes résiduelles : le temps d’étalement de la poudre entre deux couches successives et la hauteur des couches. Le modèle numérique paramétrable permet d'analyser les effets de paramètres liés au procédé sur la répartition des contraintes résiduelles dans les pièces fabriquées. Les résultats montrent que la variation de l'épaisseur du support n'affecte pas la répartition des contraintes dans la pièce créée. Le préchauffage du support à une température de 800°C réduit les contraintes résiduelles L'étude de quelques trajectoires laser montre leurs influences sur la répartition des déformations plastiques cumulées ainsi que la hauteur des couches de poudres ou de la forme du support (embase, colonnes)
The Selective Laser Melting process, belonging to Additive processes , have the ability to create structures with complex geometries , with the possibility of including cavities, such as cooling channels providing optimum temperature control. This process enables the manufacture of three-dimensional parts from metal powders by melting the material , layer by layer, in agreement with the CAD model. In the process , high temperatures and thermal gradients cycles occur in the part during the process. These temperature gradients induce heterogeneous plastic strain and residual stresses. These residual stresses may affect the quality of the part obtained, for example the fatigue life. This work aims to propose a numerical model , based on the finite element method to study the appearance of residual stresses during laser melting process of metallic powders . The ABAQUS® Multiphysics software was used to perform the thermal and mechanical analyzes. The movement of the laser beam and the resolution of the thermal problem can predict the evolution of the temperature in the part and support. The "birth and death elements" technique was used to simulate the melting and solidification of the material during the process. Dependent mechanical properties of the temperature of the maraging steel used in this case were obtained using experimental testing and characterization and were established in the model. The calculations are decoupled : initially thermal calculation is performed and the results are used to perform mechanical calculations and finally predict the residual stress fields. In this work, a novel method based on the technique of measuring residual stresses by removing layers was developed to measure these stresses directly in the process. The results provide information on the level and distribution of stresses in the created part and support. Two parameters were tested to study their influence on the level of residual stress : time to spread the powder between two successive layers and layer height. The model is used to analyze the effects of process parameters related to the distribution of residual stresses in the manufactured parts. The results show that the variation of the thickness of the support does not affect the distribution of stresses in the part created. Preheating the substrate to a temperature of 800 °C reduces the residual stresses. The study of some laser strategies shows their influence on the distribution of plastic strain thus the height of the layers of powder or in the form of support (base, columns)

La mise en forme par fusion laser sélective (LBM) de céramiques oxydes (Al2O3-ZrO2 et Al2O3) a pour objectif l’obtention directe de pièces aux formes complexes et aux microstructures fines et dirigées qui ne peuvent être réalisées par le procédé conventionnel de frittage. Ces pièces légères, possédant une excellente tenue au fluage en température et à l’oxydation, pourront alors répondre aux problématiques d’allègement et d’augmentation de la température de fonctionnement des turboréacteurs, comparativement aux pièces métalliques revêtues de céramiques poreuses. La combinaison matériau/procédé repose sur l’ajout contrôlé d’un absorbant aux poudres céramiques pures, permettant de pallier leur quasi-transparence au rayonnement laser Yb:YAG. A travers la mesure des propriétés optiques, l’étude menée vise à identifier l’impact des paramètres du procédé, de la nature et teneur de l’absorbant, de la compacité du lit de poudre sur la stabilité du bain de fusion. Pour ce faire, des mesures radiatives innovantes en réflexion et en transmission ont été réalisées en cours de fabrication. Ces mesures en dynamique via une sphère intégrante informent sur les mécanismes d’interaction laser-matière des différents milieux traversés, et permettent d’accéder aux propriétés optiques associées. Ces données alimentent un modèle analytique d’interaction laser-matière basé sur l’atténuation du rayonnement par la loi de Beer-Lambert. Ce dernier fait le lien entre les dimensions des bains (largeur, profondeur), les propriétés radiatives des différents milieux concernés (lit de poudre, substrat et bain liquide), les coefficients d’absorption associés, les paramètres du procédé, l’épaisseur et la porosité du lit de poudre. Il constitue un outil pour exprimer analytiquement la forme et la section apparente fondue au sein du lit de poudre, celles de la zone refondue au sein du substrat ainsi que celles de la zone de consolidation au sein du lit de poudre. Certaines de ces données calculées et difficilement mesurables sont utiles pour alimenter un modèle de consolidation du lit de poudre prenant en compte les échanges de matière observés entre une zone dite dénudée (liée à l’éjection de particules du lit de poudre), et une zone dite de consolidation. La quantification de ces flux de matière, impactant fortement la fabrication par LBM de ces céramiques oxydes, a permis le développement d’une stratégie de construction spécifique qui compense la zone dénudée et évite le phénomène de points chauds. L’ensemble de ces données permet alors la mise en forme de pièces avec une porosité réduite et une microfissuration contrôlée
Selective laser melting of oxide ceramics (Al2O3-ZrO2and Al2O3) is identified as a promising way to produce complex shaped parts with oriented fine microstructures, which would not be achievable by conventional sintering. These lightweight parts, presenting excellent resistance to creep at high temperature and oxidation, would appear as the answer to weight reduction and temperature increasing of turbojet engines, as compared to the usual metal parts coated with porous ceramics. The material/process coupling relies on the controlled addition of an absorber to pure ceramic powders, that compensate the quasi-transparency of these materials to Yb:YAG laser radiation. The effect on optical properties of process parameters, absorbent nature and content, compactness of the powder bed and their influence on manufacturing stability are identified. For this purpose, innovative radiative measurements in reflection and in transmission were carried out during manufacturing and for different operating conditions. These dynamic measurements through an integrating sphere provide information on the laser-material interaction mechanisms taking place in each media and they give access to optical material properties. These measurements enrich an analytical laser-matter interaction model based on the radiation attenuation by the Beer-Lambert law. This model gives a relation between melt pool dimensions, radiative propertiesof the different media (powder bed, substrate and liquid) along with the associated absorption coefficients, the process parameters and powder bed porosity. This model expresses also the apparent melted section within the powder bed, the section of the melted zone within the substrate and the consolidation section within the powder bed. Some of these calculated data are not measurable and usefully contribute to a consolidation model of the powder bed. This model takes into account the material exchanges observed between so-called bare zones (linked to the ejection of powder particles) and consolidation zones. Quantification of these particles exchanges, which have a strong impact on the LBM of these oxide ceramics, allows the definition of a specific manufacturing strategy that compensates for the bare zone formation while avoiding the formation of hot spots. These data collection enables the manufacturing of LBM ceramic oxide parts with reduced porosity and controlled micro-cracking

La fusion laser est un procédé de fabrication additive transformant une poudre de polymère, déposée couche par couche, par fusion grâce à un faisceau laser balayant des zones précises de chaque couche. Les étapes de transformation d’un polymère semi-cristallin par fusion laser sont : l’écoulement de la poudre à haute température, la fusion-coalescence des particules, la résorption des porosités et la solidification par cristallisation lors du refroidissement. Les paramètres prépondérants sont la puissance du laser et le champ de température dans le bac de fabrication. Le matériau subit des températures élevées et des variations thermiques dont les cinétiques sont encore mal connues. La cohésion des couches successives et la microstructure de l’objet fabriqué (porosité, cristallinité) dépendent de ces conditions thermiques complexes. Les relations entre microstructure, propriétés finales et histoire thermique du matériau ne sont pas complètement élucidées. Dans ce travail, deux poudres de polyamides (PA 6 et PA 12) sont étudiées. Tout d’abord, les processus physiques décrits plus haut sont analysés dans des conditions de laboratoire avec une histoire thermique contrôlée. Cela permet de mieux comprendre et de modéliser le rôle des propriétés intrinsèques du polymère dans les phénomènes physicochimiques de sa transformation aux différentes échelles. Cette étude donne accès aux échelles de temps de ces mécanismes, en fonction de la température, et aux microstructures qui en découlent. Ensuite, des pièces sont produites par deux méthodes de fusion de poudre, l’une en laboratoire sur plaque chauffante, l’autre en machine industrielle de fusion laser. La connaissance des temps caractéristiques de la coalescence, de l’évolution des porosités et de la cristallisation permet d’expliquer la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces en relation avec leur méthode de production et l’histoire thermique associée. Cette analyse apporte un nouvel éclairage sur le développement des microstructures de polyamides transformés par fusion laser et les propriétés qui en découlent
Selective Laser Sintering, also called Powder Bed Fusion, is an additive manufacturing process that transforms a polymer powder layer-by-layer by melting with a laser beam scanning specific areas of each layer. The stages of transformation of a semi-crystalline polymer by laser fusion are: the flow of the powder at high temperature, the melting-coalescence of the particles, the resorption of the porosities and the solidification by crystallization during cooling. The most important parameters are the power of the laser and the temperature field in the manufacturing tank. The material undergoes high temperatures and thermal variations whose kinetics are still poorly known. The cohesion of the successive layers and the microstructure of the manufactured object (porosity, crystallinity) depend on these complex thermal conditions. The relationships between microstructure, final properties and thermal history of the material are not fully understood. In this work, two powders of polyamides (PA 6 and PA 12) are studied. First, the physical processes described above are analyzed under laboratory conditions with a controlled thermal history. This makes it possible to better understand and to model the role of the intrinsic properties of the polymer in the physicochemical phenomena involved in its transformation at different scales. This study gives access to the time scales of these mechanisms, as a function of temperature, and to the resulting microstructures. Then, parts are produced by two methods of powder melting, one in the laboratory on a hot plate, the other in an industrial SLS machine. Knowledge of the characteristic times of coalescence, evolution of porosities and crystallization enables to explain the microstructure and the mechanical properties of the objects in relation to their production method and the associated thermal history. This analysis sheds new light on the development of microstructures of polyamides transformed by laser fusion and the resulting properties

La fabrication directe et additive regroupe un ensemble de technologies de mise en forme des matériaux en rupture avec les procédés conventionnels. L'industrie aéronautique et aérospatiale s'intéresse fortement à ces nouveaux procédés, dont la fusion sélective par laser de lits de poudre métallique (SLM). Cette thèse présentera les enjeux de la fabrication additive ainsi que certains procédés. Une étude bibliographique a été menée sur deux alliages aéronautiques utilisés dans ces travaux : l'alliage de titane TA6V et le superalliage base nickel Nimonic 263. Les travaux présentés dans ce rapport comprennent l'étude de la poudre métallique brute d'atomisation (morphologie, granulométrie, composition chimique). D'autre part, l'étude de la recyclabilité de la poudre utilisée en SLM est présentée pour le TA6V, tant en ce qui concerne l'évolution de la poudre elle-même que celle des propriétés mécaniques des pièces qui en sont issues. Par ailleurs ce travail traite d'un modèle de consolidation du lit de poudre permettant également d'évaluer la productivité du procédé. Enfin, une étude paramétrique et thermique menée sur le Nimonic 263 en vue de l'établissement d'une solution de contrôle procédé est présentée
Direct and additive manufacturing regroups several new technologies that are very different from conventional manufacturing processes such as casting. Aeronautic and space industries are really interested in those new processes such as the selective laser melting of metallic powder beds know as the SLM process. This PhD thesis report will show the issues of additive manufacturing and will describe some processes. A bibliography study has been done on two aeronautical alloys used in this work: titanium alloy TA6V and nickel-based superalloy Nimonic 263. This work also presents powder characterization (granulometry, morphology chemical composition) for the gas atomized powder. Besides, study has been done on the recyclability of the TA6V powder for the SLM process, for the powder itself and the mechanical properties of parts built from recycled powder. Moreover, this works deals with a powder bed consolidation model to estimate the productivity of the process. Then, a parametric and thermal study has been done on the Nimonic 263. The coaxial system for thermal visualization is described such as the image processing algorithm used. Finally, this reports deals with the study of thermal signature of typical SLM defects

Dans le schéma de l'allumeur rapide, dernière avancée dans le domaine de la fusion par confinement inertiel, on envisage de découpler la phase de compression de la phase de chauffage du combustible nucléaire. Cette dernière serait atteinte à l'aide d'une source extérieure constituée par un faisceau d'électrons très énergétiques créé avec un laser ultra-intense. L'étude des mécanismes de transfert d'énergie de ces électrons au combustible comprimé représente le but principal de ce travail de thèse. Nous nous proposons en particulier de mettre en évidence et d'étudier le rôle joué par les effets électriques et collisionnels de la propagation du faisceau d'électrons rapides dans un milieu aux propriétés proches du combustible comprimé. Nous avons pour cela effectué deux campagnes d'expériences, l'une avec l'installation laser VULCAN du RAL (Angleterre) et l'autre sur la nouvelle installation laser 100 TW du laboratoire LULI (France). Lors de la première expérience, nous avons obtenu les premiers résultats sur la propagation d'électrons rapides dans un matériau dense et chaud. Le caractère novateur de ce travail expérimental tient en particulier à l'utilisation de la technique de génération de hautes pressions par choc laser, ce qui a permis la création d'un plasma fortement corrélé et dégénéré. Le rôle des effets électriques et magnétiques, liés à la charge d'espace créée par le faisceau d'électrons rapides, a été approfondi lors de la deuxième campagne d'expérience, au cours de laquelle nous avons étudié la propagation des électrons dans des matériaux ayant des caractéristiques électriques différentes (isolant ou conducteur). L'analyse des résultats montre que seule la prise en compte simultanée des deux mécanismes de la propagation (collisionnels et électriques) permet un traitement correct et complet du dépôt d'énergie. La nécessité de prendre en compte les modifications apportées à la matière par le passage même des électrons, et notamment le chauffage induit, a été également mise en évidence.

La fabrication additive, ou impression 3D, regroupe plusieurs procédés permettant d’obtenir des pièces par empilement de couches de matière à partir de modèles CAO, sans outillage spécifique. En l’espace d’une dizaine d’années, les procédés additifs ont vu leur notoriété croître bien plus rapidement que la rentabilité de leurs applications industrielles.En effet, ces technologies doivent encore gagner en maturité, en particulier pour les applications métalliques. C’est l’enjeu du projet FUI-9 FALAFEL dans lequel s’inscrit cette thèse, menée en partenariat avec plusieurs acteurs industriels et académiques. Elle a pour but d’accompagner le développement du procédé de dépôt laser direct (DLD), aussi appelé dépôt de métal assisté par laser (LMD).Celui-ci consiste à projeter et à fondre de la poudre métallique sur un substrat suivant un motif défini, couche après couche. Il permet d’obtenir des pièces de grandes dimensions peu complexes avec un état de surface moyen et une productivité correcte, mais encore insuffisante pour son industrialisation.La spécificité de ce travail est d’étudier le procédé DLD avec l’alliage de titane TA6V, dans des régimes opératoires permettant d’atteindre des débits volumiques de construction élevés (> 100 cm3/h).Les recherches sont orientées suivant deux axes. En premier lieu, on s’attache à améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé, en établissant les relations entre paramètres opératoires, critères géométriques, stabilité du bain de fusion, rendement massique et microstructure générée.Dans un deuxième temps, on s’intéresse à la possibilité de réutiliser les poudres projetées non fondues. On étudie jusqu’à 3 niveaux de recyclage de la poudre, sans dilution avec de la poudre neuve, puis on vérifie que les propriétés mécaniques sont en accord avec les exigences aéronautiques
Additive manufacturing, also known as 3D printing, aggregates several processes that allows to build parts by stacking layers of a given material, directly from CAD models, without specific tools. Over the past decade, additive processes have gained in notoriety much more rapidly than their industrial applications gained in profitability.Indeed, these technologies must still mature, especially for metallic applications. This is the challenge of the project FUI-9 FALAFEL, in which this thesis takes place, carried out in partnership with several industrial and academic actors. It aims to accompany the development of the direct laser deposition process (DLD), also known as laser metal deposition (LMD).This consists in projecting and melting metal powder on a substrate in a defined pattern, layer by layer. It allows to obtain large size and low complexity parts with high roughness and a proper productivity, despite being still insufficient for industrialization.The specificity of the present work is to study the DLD process in operating modes that allow to reach high build rates (> 100 cc/h), in application to the titanium alloy TA6V.This work is driven by two research focus. In the first place, we try to improve the understanding and control of the process by establishing the relationships between operating parameters, geometric criteria, melt pool stability, process efficiency and generated microstructure.In a second stage, we focus on the possibility to reuse powders that remain unmelted after deposition. Up to 3 levels of powder recycling are studied, without dilution with new powder. We then carried out tests to check that the mechanical properties were in accordance with the aeronautical requirements

La fusion sélective par laser (Selective Laser Melting, SLM), une des techniques de la fabrication additive (AM), permet la production de pièces en trois dimensions (3D) de formes complexes directement à partir de poudres métalliques. Elle présente de nombreux avantages significatifs par rapport aux méthodes traditionnelles de fabrication mais se heurte encore à une faible disponibilité des matériaux en poudre.Le travail effectué dans cette étude a donc consisté à étudier et à développer un nouveau moyen pour réaliser in situ des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système Fer-Aluminium et sur un renforcement par des particules de SiC.Les essais ont permis de constater que dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition de phase et les propriétés mécaniques.À partir d'un mélange de poudres, des phases intermétalliques ont été obtenues en contrôlant les paramètres SLM. Un traitement thermique ultérieur influence les paramètres cristallins, le degré d'ordre et les propriétés mécaniques des pièces ainsi formées.Avec l'utilisation de poudres préalliées, un phénomène de texture a été observé prenant la forme de grains allongés/colonnaires orientés dans la direction de construction.Le renforcement de la matrice de fer par des particules de SiC de différentes tailles conduit à une modification structurale avec la formation de produits d'interaction, perlitie et martensite, conduisant à une amélioration de la résistance à la traction par rapport au Fe pur.

La micro fusion laser d'un lit de poudre (SLM) permet la réalisation de pièces complexes avec des microstructuresfines. Cette technologie présente de nombreux avantages mais se heurte encore à une faible disponibilité des poudres d'alliages. En SLM, la pièce est d'abord conçue par CAO (conception assistée par ordinateur), puis construite couche par couche avec un faisceau laser commandé par un ordinateur. Dans ce cadre, le travail effectué dans cette thèse a consisté à étudier et à développer une nouvelle méthode pour réaliser des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres élémentaires, ouvrant ainsi la voie à une grande variété de compositions.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système aluminium-silicium avec différentes teneurs en silicium (12, 18 et 50% en poids). L'effet de l'ajout d'un champ magnétique statique a aussi été proposé comme un outil supplémentaire de contrôle de la microstructure.Dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition des phases et les propriétés mécaniques du produit. Une analyse systématique de l'effet de ces paramètres sur l'alliage Al - Si fabriqué par SLM à partir de mélanges de poudres est présentée. Des alliages ont été ainsi obtenus pour plusieurs domaines de composition visés correspondant à des applications pratiques (structures légères, système tribologique, emballage électronique, ...).Les microstructures fines obtenues grâce à la solidification rapide des matériaux fondus conduit à des propriétés quise comparent de façon favorable à celles obtenues avec les techniques classiques d'élaboration et de mise en oeuvre
As a new manufacturing technology, Selective laser melting (SLM) has a large potential in the manufacturing of complex parts with ultrafine microstructure.Selective laser melting has many significant advantages over traditional manufacturing methods but still faces a low availability of powder materials. With SLM, the part is firstly designed via 3D computer-aided design (CAD)), then built layer-by-layer with a high energy computer-controlled laser beam The work done in this study was therefore aiming at developing a new way to obtain alloys and composites directly from elemental powder mixtures with a large composition flexibility.Experimentally the choice was made of the aluminum-silicon system with several silicon contents (12, 18, 50 wt. %).Adding a static magnetic field was also considered as an additional way to control the microstructure. When parts are manufactured by SLM, laser power and scanning speed are the main parameters determining the density, microstructure, phase composition and mechanical properties. A systematic analysis of the role of these parameter on the manufacturing of Al - Si alloys by SLM from mixtures of powders was therefore conducted. Al - Si alloys with a very fine microstructure were thus obtained for several composition ranges corresponding to practical applications (lightweight structures, high wear resistance alloys, electronic packaging material, ...). The properties of the materials obtained in this way, according to the performed characterizations, compares favorably with those obtained via the conventional production technologies

Cette thèse a pour objectif de proposer des matériaux adaptés aux attentes d’une empreinte de moule pour l’injection plastique, fabriquée couche par couche par fusion sélective par laser ou « Selective Laser Melting » (SLM). La réalisation d’outillages à haute productivité demande de concevoir des moules à multi-empreintes, à forte dissipation thermique et tenue à l’usure de façon à résister à l’injection de polymères agressifs à haute transition vitreuse et renforcés de fibres de verre. Ces empreintes de moule doivent être à même de supporter de fortes cadences et des cycles thermiques contraignants. La solution proposée dans cette thèse est de travailler sur la mise en forme par SLM de matériaux à haute conductivité thermique et haute dureté. Un premier matériau du commerce répondant partiellement à la demande industrielle a été proposé. Il s’agit d’un acier faiblement allié (42CrMo4). Une caractérisation de la poudre issue d’une atomisation au gaz a été entreprise et ses caractéristiques de mise en couche ont été évaluées. Sa mise en forme par fusion laser a permis d’identifier un ensemble de jeux de paramètres viables, permettant la construction d’inserts à qualité métallurgique satisfaisante. La mise au point d’un traitement thermique approprié vient parfaire l’étude de cet acier. La dernière partie de cette thèse s’attache à proposer le meilleur « design » de poudre pour la mise en forme par SLM de cermets à base WC répondant complétement au cahier des charges industriels. Cette étude reste toutefois exploratoire et se focalise sur l’identification de mécanismes métallurgiques (réactions, changements d’état solide/liquide et liquide/vapeur,…), de phénomènes thermocapillaires et de transports de matière par convection gazeuse
The aim of this thesis is to propose materials adapted to the needs of a mold cavity for plastic injection, manufactured layer by layer by "Selective Laser Melting" (SLM). The production of high productivity tools requires the design of multi-cavity molds, with high heat dissipation and wear resistance to resist the injection of aggressive polymers with highglass transition and glass fiber reinforced. These molds must be able to with stand high rates and binding thermal cycles. The solution exposed in this thesis is to work on the fabrication by SLM of materials with high thermal conductivity and high hardness. At first, a commercial material partially meeting industrial demand has been proposed. It is a low alloy steel (42CrMo4). A characterization of the powder from a gas atomization was undertaken and its layering characteristics were evaluated. The experiences, of melting it with a laser, have identified a set of viable parameters, allowing the construction of parts with satisfactory metallurgical quality. The development of a suitable heat treatment completes the studyof this steel. The last part of this thesis consist in a proposition of a "design" of powder for the fabrication by SLM of MetalMatrix Composites, with WC base, fulfilling the industrial specifications. However, this study remains exploratory and focused on the identification of metallurgical mechanisms (reactions, changes in solid / liquid and liquid/ vapor states, etc.), thermo-capillarity phenomena and matter transport by gas convection

Depuis 1984, les matériaux à gradients de fonction (FGM) permettent de former une barrière thermique et réduire les fortes discontinuités des propriétés entre deux matériaux de nature différente. Ces multi-matériaux, qui consistent en une variation intentionnelle de la composition chimique entrainant par conséquent une modification des propriétés microstructurales, chimiques, mécaniques et thermiques, permettent de lisser la distribution des contraintes thermiques. L’élaboration in situ de ces alliages sur mesure est rendu possible grâce à l’utilisation de procédés de fabrication additive tel que le procédé par dépôt de poudres DED-CLAD®. Ces procédés connaissent un essor considérable depuis les années 1980 et sont idéaux dans la fabrication de FGM. Dans le cadre de cette thèse CIFRE, des développements techniques ont été effectués pour adapter le procédé DED-CLAD® et permettre la réalisation de FGM. Grâce à plusieurs collaborations industrielles, une étude complète a été réalisée sur les alliages titane-molybdène et titane-niobium. Ces alliages permettent dans le premier cas de réaliser des pièces résistantes à de fortes sollicitations thermiques (secteur spatial), et dans le second cas d’associer les propriétés mécaniques et la biocompatibilité (secteur biomédical). L’originalité de cette thèse repose sur l’étude d’un gradient complet, c’est-à-dire que l’ajout en élément d’alliage varie de 0% à 100%. En effet, les études reportées dans la littérature ne font pas mentions des alliages titane-matériaux réfractaire pour des taux élevés en élément réfractaire. Les analyses microstructurale (DRX, structure cristallographique par EBSD, microstructure), chimique (EDS) et mécanique (microdureté, tests de traction et essais d’indentation instrumentée) ont mis en évidence une évolution des propriétés le long du gradients de composition. La caractérisation mécanique des échantillons par indentation instrumentée s’est par ailleurs révélée particulièrement pertinente dans les cas de ces multi-matériaux
Since 1984, the Functionally Graded Material (FGM) allow to create a thermal barrier and to reduce the strong discontinuities of properties between two materials of different composition. These multimaterials,whose consist of an intentional variation in the chemical composition and, consequently, modify the microstructural, chemical, mechanical and thermal properties, lead to a smooth distribution of the thermal stress. The in-situ development of these custom-made alloys is made possible by the use of additive manufacturing processes such as the DED-CLAD® powder deposition process. These processes have grown substantially since the 1980s and are optimal for the manufacture of FGM. During this industrial thesis, technical developments have been carried out to adapt the DED-CLAD® process and to allow the manufacturing of FGM. Thanks to two industrial collaborations, a full study was carried out on titanium-molybdenum and titanium-niobium alloys. These alloys make it possible, in the first case, to produce parts resistant to strong thermal stress (space sector), and in the second case to combine mechanical properties and biocompatibility (biomedical sector). The originality of this thesis rests on the study of a complete gradient, that is the addition in alloy element varied from 0% to 100%. In fact, studies reported in the literature do not mention titanium-refractory material for high levels of refractory element. Microstructural (XRD, crystallographic analysis by EBSD technique), chemical (EDS) and mechanical (microhardness, tensile test and instrumented indentation) analyses revealed an evolution of the properties along the chemical gradient. The mechanical characterization of the sample by instrumented indentation has also proved particularly relevant in the case of these multi-materials

La problématique initiale part du constat que les échecs d’implants sont souvent causés par une inadéquation entre les propriétés élastiques de l’os et celles de l’implant. Aujourd’hui, ce problème de biocompatibilité mécanique suscite un intérêt croissant et a conduit au développement d’alliages de titane β-métastables qui possèdent un module d’élasticité faible, moitié moindre que celui de l’alliage Ti-6Al-4V classiquement utilisé dans les applications d’implantologie. De plus, les structures architecturées ou treillis font, elles aussi, l’objet d’intenses recherches dans le but de réduire le module d’élasticité et de maximiser la résistance. Leur mise en forme, avec une maîtrise précise de l’architecture, est possible grâce à la fabrication additive et les nombreuses possibilités qu’elle offre : liberté de design, gain matière, pièces complexes, customisation de masse... Ce travail de thèse porte sur la mise en œuvre de l’alliage de titane à bas module d’élasticité Ti-26Nb(%at.) par la technologie de fusion laser sur lit de poudres. Une stratégie d’élaboration in situ de ces alliages à partir de poudres élémentaires de Ti et de Nb est explorée, à la fois pour permettre d’éventuels ajustements de composition, et pour pallier au manque de disponibilité des alliages de titane sous forme de poudres. La démarche est réalisée avec deux morphologies de poudre, irrégulière et sphérique. Les effets des nombreux paramètres de ce procédé (puissance du laser, vitesse et stratégie de balayage...) sur l’homogénéité et la porosité des pièces élaborées sont quantifiés. Un alliage homogène peut être obtenu sous réserve de l’utilisation d’une densité d’énergie adaptée et d’une granulométrie de poudre tenant compte des températures de fusion respectives des éléments. La caractérisation de la microstructure met en évidence une texture marquée, dépendante de la stratégie de balayage. Les pièces élaborées présentent un bas module d’élasticité associé à une résistance mécanique élevée, avec une déformation élastique favorable par rapport à un alliage de référence coulé. Par ailleurs, un algorithme d’optimisation est développé et permet de contrôler les propriétés mécaniques d’une structure architecturée à partir de ses paramètres géométriques (rayon, longueur et orientation des poutres). La combinaison de cet alliage de titane à bas module d’élasticité et d’une structure architecturée développée à partir ce cet algorithme a été appliqué à une prothèse totale de hanche, qui a fait l’objet de simulations par éléments finis. L’évaluation du phénomène de stress-shielding montre que, comparativement à un modèle massif plus rigide, ce type de prothèse permet de réduire de façon significative la déviation des contraintes. En se rapprochant du modèle dit physiologique, cette prothèse peut être qualifiée de « biomimétique » sur le plan du comportement mécanique
The initial problematic arises from the fact that implant failure is often caused by a mismatch between the elastic properties of the bone and those of the implant. Nowadays, an increasing interest is given to this mechanical biocompatibility and led to the development of β-metastable titanium alloys that possess low Young’s modulus, about half that of the conventionally used Ti-6Al-4V alloy. Moreover, lattice structures are currently being the subject of many investigations with the aim of achieving low Young’s modulus and high strength. Their fabrication, with accurate control over the architecture, is made possible thanks to additive manufacturing processes and the several possibilities they offer: design freedom, reduced material usage rate, complex shapes, mass customisation... The present work focuses on the implementation of low modulus titanium alloy Ti-26Nb(at.%) by the means of selective laser melting. An in situ elaboration strategy, based on a mixture of elemental powders, is explored in order to allow potential composition adjustments and to overcome the unavailability of titanium alloy powders. The approach is carried out using two distinct powder morphologies, spherical and irregular. The effects of the numerous parameters of the process (laser power, speed, scanning strategy...) on homogeneity and porosity of the manufactured parts is quantified. A homogeneous alloy can be obtained subject to the use of suitable energy density levels and powder size distributions that take into account the respective fusion temperatures of both elements. Microstructure characterisation highlights a pronounced texture resulting from the scanning strategy. The elaborated samples display a low Young’s modulus associated with a high strength, and hence a favourable strength to elastic modulus ratio compared to the reference cast alloy. Furthermore, an optimization algorithm is developed and allows controlling the mechanical properties of a lattice structure with its geometrical parameters (radius, length and orientation of struts). The combined use of this low Young’s modulus titanium alloy with a lattice structure developed through this algorithm was applied to the design of a total hip prosthesis that was subjected to finite element simulations. Stress-shielding evaluation shows that, compared to a solid design, this kind of prosthesis permits to reduce stress-shielding significantly. By getting closer to a physiological model, this prosthesis can be qualified as “biomimetic” in terms of mechanical behaviour

L'objectif de cette étude est le développement et la mise au point d'un procédé de projection de poudres de silicium par plasma thermique inductif, afin d'élaborer des couches minces à finalité photovoltaïque. Les particules sont injectées dans l'écoulement où elles sont fondues, purifiées par évaporation partielle puis déposées à l'état liquide sur un substrat de type céramique. Le processus de purification des poudres dans le plasma ainsi que la pureté des dépôts obtenus ont été observés par des analyses chimiques ICP et EDX... L'hydrogénation des couches de silicium a également été analysée par des mesures d'exodiffusion et corrélée avec les différents paramètres du procédé. L'analyse des propriétés du plasma d'argon faiblement hydrogéné en présence des poudres de silicium a été réalisé par spectroscopie d'émission afin de mettre en évidence les espèces excitées présentes dans la décharge et réaliser un diagnostic énergétique de l'écoulement. Les mesures ont montré la présence d'hydrogènes radicalaires hautement excités, à l'origine de le passivation des dépôts de silicium. De plus, la détection de raies d'émissions du silicium et d'impuretés confirme le processus de purification de la poudre par évaporation. Le diagnostic du plasma a montré que la densité et la température électronique étaient maximales au niveau de la zone d'induction. Les propriétés du plasma ont également été déterminées par modélisation numérique. Les profils obtenus permettent d'interpréter les processus de transfert de masse et de chaleur entre le plasma et la particule de silicium en écoulement. Les interactions plasma - particules ont été analysées expérimentalement par des mesures de vitesse et de diamètre par métrologie laser Doppler. Les résultats indiquent que les particules subissent une perte de masse d'environ 12% pour un temps de séjour de 15 ms dans le plasma.