Fabrication additive de pièces multi-matériaux métal-céramique : optimisation du procédé, des microstructures et des interfaces, pour la réalisation en une seule étape de structures complexes

Une première thèse sur ce sujet, dont le doctorant entre dans sa troisième année, a abouti à la mise au point d’un procédé original de fabrication additive sur lit de poudre par fusion laser, qui fait actuellement l’objet d’un dépôt de brevet. Ce procédé permet, en une seule étape et à partir d’une poudre unique, d’obtenir des objets constitués de zones à géométrie ajustable liées entre elles, pouvant être soit conductrices de l’électricité, soit isolantes. Ce procédé ouvre la voie à la réalisation de pièces multi-matériaux de formes complexes destinées à différentes applications, en particulier à la fabrication industrielle de guides d’ondes hautes performances.

Cette application très exigeante, impose toutefois un cahier des charges strict, non seulement sur les propriétés électriques et diélectriques des différentes parties des guides d’onde, mais aussi sur la microstructure de ces dernières et la qualité des interfaces qui assurent leur assemblage. Malgré les avancées importantes issues des travaux de thèse précédents, qui ont permis de passer d’idées et de concepts de base, à la réalisation concrète de pièces multi-matériaux, il reste encore à préciser et à consolider les liens qui existent entre les paramètres d’élaboration et la qualité des pièces, puis d’optimiser leur fabrication pour atteindre les performances nécessaires aux sauts technologiques visés (ex. : transitions hyperfréquences critiques, résonateurs miniatures à fort Q > 1000 compatibles des technologies CMS…). Ce procédé de fabrication additive innovant permet d’explorer complètement les 3 dimensions, ce qui a pour conséquence de pouvoir réaliser des matériaux périodiques de nature différentes. Par conséquent, des dispositifs hyperfréquences utilisant des métamatériaux sont réalisables en 3D avec des formes complexes.

La présente demande de financement de thèse a donc pour objet la réalisation des travaux nécessaires au franchissement de ces étapes clés. Elle propose aussi d’avancer vers la mise en œuvre industrielle d’un procédé original de fabrication additive multi-matériaux.

Le ou la doctorant(e) recruté(e) effectuera ses travaux de recherche au sein de l’Institut Carnot Chimie Balard Cirimat à Toulouse. Il ou elle bénéficiera dans ce cadre, d’une logistique appropriée à l’élaboration de matériaux et de pièces complexes (accès à des dispositifs de traitement de poudres et à deux machines de fabrication additive sur lit de poudre par fusion laser) ainsi qu’à leur caractérisation physico-chimique (diffraction X, tomographie X, microscopies optiques et électroniques, analyses thermiques, rugosimétrie, mesures de densités et de rhéologie des poudres…). Des caractérisations fines par microscopie électronique sont en particulier prévues sur des microscopes à balayage ou à transmission à effet de champ, pour qualifier la qualité des interfaces conducteur-diélectrique et pour rechercher d’éventuelles inclusions de matériau diélectrique dans le conducteur ou inversement de matériau conducteur dans le diélectrique. Des mesures et outils complémentaires (électromagnétiques notamment) pourront par ailleurs être mises en œuvre au sein de Thales Alenia Space ou du CNES

L’Institut Carnot Chimie Balard Cirimat, engagé depuis 2015 sur différents sujets liés à la fabrication additive, dispose désormais de connaissances scientifiques et techniques solides dans ce domaine, supportées par ailleurs par un savoir-faire important sur les matériaux (métaux, céramiques, cermets). Il est par ailleurs impliqué dans la Filière « Manufacturing » réunissant 12 Instituts Carnot en lien avec l’Alliance « Industrie du futur » et est co-porteur du projet « MultiFab » (Région et Feder). A ce titre, il a accès à un réseau important lui permettant d’être en prise directe avec les dernières innovations dans le domaine des procédés de fabrication additive. Les conditions favorables à un encadrement pertinent et stimulant pour le ou la doctorant(e) sont donc réunies.

Vers la fin du travail de thèse, il est envisagé la réalisation de guides d’ondes types dont les performances et la dispersion éventuelle des propriétés seront évaluées, afin de tester la robustesse du procédé mis en œuvre. Au-delà de la maîtrise des paramètres d’élaboration de la machine qui sera utilisée pour la fabrication, certaines mesures de paramètres thermiques en cours de construction des pièces, sont envisagées. Elles permettront de qualifier au mieux le procédé, dans la perspective d’un transfert industriel vers des machines de production.

Candidat titulaire d’un master ou titre équivalent en Science des Matériaux ou en Physique, possédant des connaissances solides dans le domaine de la métallurgie et/ou des matériaux céramiques, ainsi que de l’électromagnétisme. Une expérience dans le domaine de l’élaboration et/ou de la mise en forme de matériaux est souhaitée.

Pour postuler, nous vous invitons à contacter le Directeur de thèse au CIRIMAT , Philippe Tailhades : tailhades@chimie.ups-tlse.fr et à compléter avec lui la partie co-financement du formulaire avant le 31/03/20