Conception et réalisation, par fabrication additive, de matériaux cellulaires architecturés

Discipline

Mecanique des solides, genie mecanique, productique, transport et genie civil

Classification

Sciences de l'ingénieur,

Bâtiments

Mots-clés libres

Récepteurs volumétriques, Lancer de rayons, Transferts thermiques, Couplage conducto-radiatif, SiC

Mots-clés

Transfert de chaleur,

Impression 3D,

Centrales solaires,

Carbure de silicium,

Rayonnement solaire

La démarche « matériaux numériques », développée au CEA Le Ripaut, consiste à optimiser numériquement une structure, à l’aide de codes de calcul permettant de réaliser des expériences numériques, afin de répondre le plus précisément possible à un cahier des charges. La mise en œuvre de ces structures optimisées, aux formes pouvant être complexes, n’est parfois pas réalisable avec les procédés de fabrication actuels. Cependant, la progression rapide de l’impression 3D semble maintenant pouvoir concrétiser cette démarche. Le but de cette thèse est d’étudier cette faisabilité de fabrication, à travers une application concrète : l’optimisation des récepteurs volumétriques des Centrales Solaires Thermodynamiques (CST).Actuellement, la conception de ces récepteurs en Carbure de Silicium (SiC) est restreinte par les techniques existantes de fabrication, et leurs morphologies se limitent donc principalement à des mousses ou des canaux parallèles. Or, ce type de structure ne permet pas d’exploiter tout le caractère 3D proposé par les récepteurs, en raison notamment d’une absorption trop hétérogène du rayonnement solaire dans le volume. Dans ce travail de thèse, afin de rechercher la répartition de l’absorption la plus homogène possible dans l’ensemble du volume, de nombreuses structures aux formes variées sont générées virtuellement. Une simulation de l’éclairement solaire reçu est réalisée sur l’ensemble de ces structures, grâce à un code de calcul développé spécialement pour cette application, permettant ainsi d’en retenir trois répondants au mieux aux critères du cahier des charges. Ces structures potentiellement optimisées ont ensuite été fabriquées en SiC par impression 3D, par un procédé de projection de liant sur lit de poudre. Elles ont été ensuite testées sur un banc d’essai expérimental du laboratoire PROMES, reproduisant les conditions d’une CST. Les résultats ont montrés que ces structures, aux formes totalement différentes de mousses ou de canaux parallèles, sont capables de produire au maximum de l’air à 860°C en sortie de récepteur, et avec des rendements énergétiques proches de 0,65. Enfin, un code de calcul thermique couplé conducto-radiatif, amélioré durant ce travail, a permis d’analyser ces résultats expérimentaux et servira pour les futurs travaux d’optimisation de la géométrie d’un récepteur.