Aboubakry AGNE : Modélisation et simulation numérique des étapes de déliantage et de frittage du procédé MIM

Travaux de thèse : Modélisation et simulation numérique des étapes de déliantage et de frittage du procédé de Moulage par Injection de poudres Métalliques (MIM)

Résumé : Les étapes de déliantage et de frittage sont des phases cruciales du procédé de Moulage par Injection de poudres Métalliques (MIM). Elles sont généralement à l’origine des principales variations dimensionnelles. Pour quantifier et prédire les pertes de masse et déformations associées à ces séquences, différents modèles, inspirés de la littérature, décrivant au mieux les mécanismes de chaque étape, ont été proposés. Ils sont appliqués à une formulation industrielle à base de poudres de superalliage à base de nickel (Inconel 718) et d’un liant multi-ingrédients. La formulation a été caractérisée par des analyses thermiques et gravimétriques. L’objectif de ces travaux a été, dans un premier temps, de prédire les quantités de matière éliminées pendant les déliantages solvant et thermique, et de suivre l’évolution des dimensions grâce à la simulation numérique par la méthode des éléments-finis dans la plateforme Comsol Multiphysics ®. Dans un second temps, les travaux se sont focalisés sur la modélisation de la déformation et l’évolution de la densité relative pendant le frittage conventionnel en phase solide. La perte de masse pendant le déliantage aqueux a été modélisée par une expression analytique pilotée par un paramètre de diffusion obtenu expérimentalement. Elle a été associée au gonflement hygroscopique et à la dilation thermique qui sont les principales sources de déformation du déliantage solvant. Le déliantage par CO2 supercritique, qui est une méthode innovante d’extraction du polyéthylène glycol (PEG), a fait l’objet d’une caractérisation expérimentale et de simulations numériques rendant possible la prédiction de la perte de masse en PEG sur Comsol Multiphysics ® de composants développés au sein du laboratoire. La cinétique de dégradation pendant le déliantage thermique a été décrite expérimentalement avec des analyses thermogravimétriques réalisées sur des échantillons à base du feedstock industriel. Les méthodes d’Ozawa et de Kissinger ont permis d’estimer les énergies d’activation de la cinétique de dégradation de l’ensemble des constituants pour la simulation numérique. Le couplage entre la dégradation et le transfert de chaleur a rendu possible la simulation complète de cette étape avec pour objectif de prédire la distribution géométrique et temporelle du liant et les déformations générées. Le frittage en phase solide de l’Inconel 718 a fait l’objet de caractérisations expérimentales et de simulations par éléments-finis. La loi de comportement thermo-élasto-viscoplastique, permettant de quantifier la déformation totale et la densité relative tout au long de la densification, a été formulée et implémentée dans le code éléments-finis ABAQUS ®. La viscosité uni-axiale a été identifiée en utilisant une méthode de chargement de type compression par intermittence. Elle a permis par la suite d’identifier la contrainte de frittage. La pertinence de cette méthode a été discutée par comparaison avec une autre méthode basée sur la vitesse de déformation du frittage libre avec moins d’incertitudes de mesures. Les résultats de l’ensemble des développements numériques réalisés ont été confrontés à des résultats expérimentaux obtenus sur une géométrie de pièce MIM aéronautique, conduisant à une bonne estimation de la valeur des dilatations et retraits.

Composition du jury :

Mr Didier Bouvard, Professeur des universités à l’Université de Grenoble Alpes, Rapporteur
Mr jean Marc Haudin, Professeur Émérite à l’École des Mines ParisTech, Rapporteur
Mr, Richard, Sébastien Ingénieur R&T à SAFRAN TECH, Examinateur
Mme Téresa Vieira, Professeur des universités à l’Université de Coimbra, Examinatrice
Mr Thierry Barrière, Professeur des universités à l’Université de Franche-Comté, Directeur de thèse
Mr Yves Bienvenu, Professeur Émérite à l’École des Mines ParisTech, Examinateur
Mr Jean-Marc Chaix, Directeur de Recherche à Grenoble INP – Phelma, Examinateur
Mr Jean-Michel Bergheau, Professeur des universités à l’ENISE, Examinateur

Localisation : Amphithéâtre J-J Gagnepain à TEMIS Sciences, 15B, Avenue des Montboucons – Besançon