Etude et modélisation des phénomènes chimiques et thermiques menant à l'apparition de contraintes résiduelles et au gauchissement des pièces céramiques crues imprimées via le procédé de stéréolithographie

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Céramique, Modélisation, Simulation

Mots-clés

Matériaux céramiques,

Stéréolithographie,

Contraintes résiduelles,

Déformations (mécanique)

Pour répondre aux attentes actuelles et futures de l'industrie en matière de fabrication additive de céramique pour des applications de pointe, une meilleure compréhension du processus d’impression de pièces crues par stéréolithographie et des déformations induites sur ces dernières est indispensable. En effet, le gauchissement des pièces imprimées contribue de manière significative à la réduction de leur précision dimensionnelle. Pour atténuer ce problème, ce travail se concentre sur l'étude des causes des déformations, en tenant compte de différentes spécificités de cette technique. Tout au long de cette étude, plusieurs phénomènes ont ainsi été identifiés comme responsables de la génération de déformations permanentes. Tout d’abord, il est démontré que le retrait chimique lié à la polymérisation joue un rôle majeur dans cette génération via la création de contraintes. De plus, la photopolymérisation étant exothermique, l’expansion et la contraction thermiques accentuent ce phénomène lors du chauffage et du refroidissement non uniformes de la pièce.De manière à quantifier les défauts dimensionnels des pièces imprimées en fonction des paramètres de fabrication, il a été nécessaire de proposer deux modèles complémentaires. Un premier modèle de photopolymérisation utilisant la méthode de calcul par différences finies a été développé pour estimer les champs de taux de conversion et de température. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un second modèle basé sur la méthode des éléments finis pour prédire la génération de contraintes résiduelles et le gauchissement des pièces crues. L'adhérence entre le plateau d'impression et la pièce jouant un rôle significatif dans l’ampleur de gauchissement, un contact cohésif entre ces deux surfaces a été introduit dans la modélisation. Dans le but de calibrer le modèle, les caractéristiques mécaniques des pièces crues, leur gauchissement ainsi que leur adhérence au plateau ont été évaluées, en fonction des paramètres de fabrication. Les résultats obtenus présentent de nombreuses similitudes avec les observations expérimentales. Plusieurs autres phénomènes identifiés dans cette étude, comme le vieillissement des pièces, restent toutefois à prendre en compte afin d'améliorer les modèles proposés. Néanmoins, ce travail offre déjà des perspectives vers un meilleur contrôle dimensionnel et l'optimisation des propriétés mécaniques des pièces crues et frittées.