Titre de l'écran-titre (visionné le 26 mars 2024) / La fabrication additive est une méthode de fabrication prisée pour la diminution de la consommation en matières premières et la capacité de fabriquer des pièces de géométries complexes. Or, la matière première couramment utilisée provient de l'atomisation au gaz ou de l'atomisation au plasma, ce qui engendre des coûts élevés. L'utilisation de poudres provenant de ces méthodes de fabrication est expliquée par l'obtention de particules sphériques contenant une faible concentration d'oxygène (< 0.05%-m.). L'atomisation à l'eau permettrait de diminuer les coûts de production des poudres. Toutefois, ces poudres seraient faites de particules de morphologie irrégulière et oxydées. Le principal objectif de notre étude est de quantifier la possibilité d'utiliser des poudres d'acier à outil produites par atomisation à l'eau dans un contexte de fabrication additive en lit de poudre. L'acier à outils A8 possède une haute ténacité, une bonne résistance à l'usure ainsi qu'une composition chimique intéressante pour limiter l'oxydation de la poudre lors de l'atomisation à l'eau. L'augmentation des propriétés rhéologiques ainsi que la diminution de la concentration d'oxygène des poudres sont réalisées lors de l'atomisation à l'eau et/ou lors de traitements secondaires effectués sur la poudre. Les traitements secondaires consistent en la sphéroïdisation au plasma, l'enlèvement de nanoparticules par nettoyage au bain ultrason et par frittage, l'addition de carbure de tungstène par sphéroïdisation au plasma et par frittage, le broyage ainsi que des traitements thermiques visant la réduction à l'oxygène. Les résultats de notre étude ont montré qu'il est possible d'utiliser des poudres atomisées à l'eau en fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre. Qui plus est, cette approche permet d'obtenir des pièces, dont les propriétés mécaniques rivalisant avec celles de pièces fabriquées à l'aide de procédés de fabrication conventionnelle telles que le forgeage ou le laminage. La possibilité d'impression serait toutefois augmentée en diminuant la concentration en carbone. L'ajout de carbure de tungstène lors de la sphéroïdisation au plasma et par diffusion via le prémélange + frittage permet d'obtenir une microstructure contenant des carbures de grande taille qui ne pourrait être incorporés autrement à une pièce d'acier à outil A8. / Additive manufacturing is sought after due to its possibilities in raw material reduction and its capacity to manufacture complex geometries. Currently, feed material for AM comes principally from gas or plasma atomization. Powders obtained by these processes are made of spherical particles that are characterized by their low oxygen content (< 0.05% wt.). Nevertheless, gas and plasma atomization are significantly more expensive of powder production than water atomization. Development of metal powders for AM produced by water atomization could bring significant advantages related to powder production rate and therefore cost reduction for alloys of interest able to be produced by this process. A8 tool steel possess high toughness, good wear resistance and an interesting chemical composition to limit powder oxidation during water atomization. Improving powder properties for AM could be done during the water atomization process and/or with post treatment on powders. Post treatments explored in this study are plasma spheroidization, ultrasonic bath cleaning, tungsten carbides addition, milling and heat treatment for oxygen reduction and sintering. The main findings of our study shows that the fabrication of A8 tool steel components by laser powder bed fusion AM with water atomized powders is possible and yields good mechanical properties that are similar to those obtained with wrought components. Printing possibilities could be improved by limiting carbon concentration in steel. Tungsten carbide addition achieve microstructures with coarse carbides otherwise out of reach.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La fabrication additive (FA) est une technologie à fort potentiel d'utilisation dans les applications photoniques car elle surmonte les limites des méthodes de fabrication traditionnelles. Parmi les différentes techniques de FA disponibles, la photopolymérisation en cuve (VPP) est l'une des rares à répondre aux exigences de la fabrication photonique. Cependant, l'un des principaux défis qui entravent l'adoption généralisée du VPP dans la fabrication de dispositifs optiques est la disponibilité limitée de matériaux compatibles avec les techniques VPP. L'objectif de cette thèse était de développer, d'élucider la structure, de fabriquer via la fabrication additive et d'étudier les propriétés optiques de pièces imprimées en 3D de matériaux hybrides aluminium-phosphate. Ces matériaux ont été développés par voie sol-gel comme candidats pour la fabrication de dispositifs photoniques actifs et passifs. Ces matériaux ont été fabriqués via VPP en utilisant un système AM sur mesure fonctionnant dans des conditions d'exposition intermittentes. Nous avons développé un modèle mathématique décrivant le profil d'exposition produit par cette système VPP, car son principe de fonctionnement diffère grandement des plateformes commerciales. Ensuite, les paramètres VPP et la cinétique de photopolymérisation de ces nouveaux matériaux ont été caractérise, de façon a démontré leur impression 3D. Enfin, nous avons examiné l'homogénéité optique et l'anisotropie des éléments fabrique 3D à partir de ces matériaux. Ces objectifs ont été explorés à travers cinq publications scientifiques, composant les cinq chapitres de cette thèse. Dans notre première contribution, nous avons synthétisé des sols de phosphate d'aluminium photopolymérisables, qui ont été polymérisés pour aboutir à des matériaux hybrides organiques-inorganiques (OIH) composés de chaînes de poly (méthacrylate de 2-hydroxyéthyle) avec des groupes de phosphate d'aluminium liés de manière covalente au squelette polymère. Ces unités inorganiques fournissent de nombreux agents de réticulation, résultant en une structure inorganique/organique hautement interconnectée et imbriquée. Les matériaux OIH étaient optiquement transparents entre 420 nm et 1100 nm, cependant, ces matériaux présentaient une faible transmission dans la région du proche infrarouge (NIR) en raison de la forte teneur en matières organiques de ces matrices. Dans une deuxième contribution, nous avons modifié la voie de synthèse pour obtenir des matériaux OIH aluminium-phosphate-silicate avec une concentration en masse inorganique plus élevée et une transmittance améliorée dans le NIR. Nous avons étudié en profondeur la structure de matériaux avec la RMN à l'état solide et observé que le réseau inorganique est formé d'unités d'aluminium-phosphate interconnectées par des chaînes de silicate. L'environnement chimique des sites de phosphate et d'aluminate pourrait être réglé en fonction du rapport aluminium sur phosphore, permettant à la structure d'être adaptée afin d'améliorer la capacité d'accueil des ions lanthanides de ces matériaux. Ces caractéristiques structurelles présentent ces matériaux comme des candidats potentiels pour immobiliser les ions lanthanides pour développer des composants optiques actifs. Dans une troisième contribution, nous avons développé et testé un modèle mathématique décrivant le profil d'exposition produit par l'imprimante utilisée dans ce travail, nous permettant de modéliser l'interaction laser-résine dans cet équipement, et de corréler les paramètres d'impression mesurés pour notre matériau avec ceux des système FA commerciales. De plus, nous avons identifié que ce système d'impression peut, théoriquement, imprimer plus rapidement par rapport aux plateformes commerciales dans des conditions spécifiques de diamètre de faisceau et de chevauchement entre les impulsions. Dans une quatrième contribution, nous avons exploré la fabrication additive des résines aluminium-phosphate-silicate. L'évolution des paramètres d'impression 3D de ces matériaux (énergie critique et profondeur de pénétration), et de la cinétique de photopolymérisation avec l'intensité lumineuse et la concentration en silicate a été étudiée. Ces résultats indiquent le déplacement de la conversion critique vers un degré de polymérisation plus élevé à mesure que la concentration de silicate augmente, ce qui était associé à une tendance plus élevée à la cyclisation. Ces résultats ont été utilisés pour valider un modèle photochimique publié dans la littérature décrivant l'interaction laser-résine dans les systèmes VPP, élucidant le lien entre l'énergie critique et la cinétique de photopolymérisation. Dans notre dernière contribution, nous avons étudié la distribution de l'indice de réfraction et la présence d'anisotropies optiques dans les lignes imprimées en 3D. Nous avons identifié que les pièces imprimées en 3D sont optiquement homogènes, malgré la présence d'un gradient de degré de polymérisation associé à la pénétration du laser dans la résine et au profil du faisceau. Des anisotropies optiques ont été identifiées et des mesures micro-Raman polarisées indiquent que la biréfringence provient de la contrainte de cisaillement perpendiculaire à la direction de balayage due à l'afflux de monomère vers le point de polymérisation. / Additive manufacturing (AM) is a technology with great potential for use in photonic applications because it overcomes the limitations of traditional manufacturing methods. Among the various AM techniques available, the vat-photopolymerization (VPP) is one of the few that meets the requirements for photonics manufacturing. However, one of the main challenges hindering the widespread adoption of VPP in optical device manufacturing is the limited availability of materials compatible with VPP techniques. The aim of this thesis was to develop, elucidate the structure of, fabricate via additive manufacturing, and study the optical properties of 3D printed parts of aluminum-phosphate hybrid materials. These materials were developed using the sol-gel route as candidates for the fabrication of active and passive photonic devices. These materials were additive manufactured via VPP using a custom-made AM system operating under intermittent exposure conditions. We developed a mathematical model describing the exposure profile output by this custom-made VPP setup, since its operating principle greatly differs from commercial platforms. Then, these new materials were 3D printed after characterizing their VPP parameters and photopolymerization kinetics. Lastly, we examined the optical homogeneity and anisotropy of additive manufactured elements from these materials. These goals were explored throughout five scientific publications, composing the five chapters of this thesis. In our first contribution, we synthesized photopolymerizable aluminum-phosphate sols, that were polymerized to result in organic-inorganic hybrid (OIH) materials composed by poly (2-hydroxyethyl methacrylate) chains with aluminum-phosphate groups covalently bonded to the polymeric backbone. These inorganic units provide numerous crosslinkers, resulting in a highly interconnected and interlocked inorganic/organic structure. The OIH materials were optically transparent between the 420 nm - 1100 nm, however, these materials showed low transmittance in the near-infrared region (NIR) due to the high organic content of these matrices. In a second contribution, we modified the synthesis route to achieve aluminum-phosphate-silicate OIH materials with higher inorganic mass concentration and improved transmittance in the NIR. We investigated in-depth the structure of these materials by means of solid-state NMR and observed that the inorganic network is formed by aluminum-phosphate units interconnected by silicate chains. The chemical environment of the phosphate and aluminate sites could be tuned based on the aluminum to phosphorus ratio, allowing the structure to be tailored in order to enhance the lanthanide ions hosting ability of these materials. These structural features present these materials as potential candidates to immobilize lanthanide ions for developing active optical components. In a third contribution, we developed and tested a mathematical model describing the exposure profile outputted by the custom-built printer employed in this work, allowing us to model the laser-resin interaction in this equipment, and to correlate the printing parameters measured for our materials with those of commercial AM setups. Furthermore, we identified that this printing system can, theoretically, print faster compared to commercial platforms under specific conditions of beam diameter and overlap between pulses. In a fourth contribution, we explored the additive manufacturing of the aluminum-phosphate-silicate resins. The evolution of the 3D printing parameters of these materials (critical energy and penetration depth), and of the photopolymerization kinetics with light intensity and silicate concentration was studied. These results indicate the shift of critical conversion towards higher polymerization degree as the concentration of silicate increases, which was associated to a higher tendency towards cyclization. These results were employed to validate a photochemical model published in the literature describing the laser-resin interaction in VPP systems, elucidating the link between critical energy and photopolymerization kinetics. In our last contribution, we studied the refractive index distribution and the presence of optical anisotropies in 3D printed lines. We identified that the 3D printed parts are optically homogenous, despite the presence of a gradient of polymerization degree associated to the penetration of the laser into the resin and the beam profile. Optical anisotropies were identified, and polarized micro-Raman measurements indicate that the birefringence arises from the shear stress perpendicular to the scan direction due to the inflow of monomer towards the polymerization spot. / A manufatura aditiva (MA) é uma tecnologia com grande potencial para aplicações em fotônica, pois contorna as limitações impostas por métodos tradicionais de manufatura. Entre as várias técnicas de MA disponíveis, a fotopolimerização em cuba (VPP) é uma das poucas que atende os requisitos de tolerância presente na fabricação de dispositivos fotônicos. No entanto, um dos principais desafios que impedem ampla adoção da VPP na fabricação de dispositivos ópticos é a baixa disponibilidade de materiais processáveis com as técnicas de VPP. O objetivo desta tese foi desenvolver, elucidar a estrutura, fabricar via manufatura aditiva e estudar as propriedades ópticas de peças impressas 3D de materiais híbridos de alumínio-fosfato. Esses materiais foram desenvolvidos utilizando a rota sol-gel como candidatos para a fabricação de dispositivos fotônicos ativos e passivos via impressão 3D. Esses materiais foram processados via VPP usando um sistema MA customizado, operando sob condições de exposição intermitente. Foi desenvolvido e testado um modelo matemático descrevendo o perfil de exposição produzido por esse sistema VPP customizado, uma vez que seu princípio operacional difere daquele de plataformas comerciais. Em seguida, os parâmetros de impressão 3D e a cinética de fotopolimerização desses novos materiais foram estudados, permitindo sua impressão 3D. Por fim, foi estudado a homogeneidade óptica e a presença de anisotropias ópticas em partes produzidas por MA desses materiais. Esses objetivos foram explorados ao longo de cinco publicações científicas, compondo os cinco capítulos desta tese. Em nossa primeira contribuição, sintetizamos soluções fotopolimerizáveis de alumínio-fosfato, resultando em materiais híbridos orgânico-inorgânicos (HOI) compostos por cadeias de poli (2-hidroxietil metacrilato) com grupos alumínio-fosfato covalentemente ligados ao esqueleto polimérico. Essas unidades inorgânicas atuam como ligações cruzadas, resultando em uma estrutura inorgânica-orgânica altamente interconectada e interligada. Os materiais obtidos são totalmente transparentes entre 420 nm - 1100 nm, porém possuem baixa transmitância na região do infravermelho próximo (NIR) devido ao alto teor orgânico dessas matrizes. Em uma segunda contribuição, modificamos a rota de síntese para obter materiais HOI de alumínio-fosfato-silicato com maior teor de massa inorgânica e melhor transmitância no NIR. Investigamos em detalhe a estrutura desses materiais por meio de RMN de estado sólido e observamos que a rede inorgânica é formada por unidades de alumínio-fosfato interligadas por cadeias de silicato. O ambiente químico dos sítios de fosfatos e alumínio podem ser modificados por meio da razão alumínio para fosforo, permitindo que a estrutura seja otimizada para a introdução de íons lantanídeos. Essas características estruturais apresentam esses materiais como potenciais candidatos à imobilização de íons lantanídeos para o desenvolvimento de componentes ópticos ativos. Em uma terceira contribuição, desenvolvemos e testamos um modelo matemático descrevendo o perfil de exposição produzido pela impressora personalizada empregada neste trabalho, permitindo-nos modelar a interação laser-resina e correlacionar os parâmetros de impressão medidos para nossos materiais com aqueles de plataformas comerciais de MA. Além disso, identificamos que este sistema de impressão pode, teoricamente, imprimir mais rápido comparado a plataformas comerciais, desde que condições específicas de diâmetro do feixe e sobreposição entre pulsos sejam atendidas. Em uma quarta contribuição, exploramos a manufatura aditiva das resinas de alumínio-fosfato-silicato. Foi estudada a evolução dos parâmetros de impressão 3D desses materiais (energia crítica e profundidade de penetração) e da cinética de fotopolimerização com a intensidade de luz e a concentração de silicato. Os resultados obtidos indicaram um aumento da conversão critica das resinas com o aumento da concentração de silicato, o que estaria associado a uma maior contribuição da reação de ciclização. Esses resultados foram empregados para validar um modelo fotoquímico descrevendo a interação laser-resina em sistemas VPP publicados na literatura, elucidando a relação entre energia crítica e cinética de fotopolimerização. Em nossa última contribuição, estudamos a distribuição do índice de refração e a presença de anisotropias ópticas em linhas impressas 3D. Foi verificado que as peças impressas em 3D são opticamente homogêneas, apesar da presença de um gradiente de grau de polimerização associado à penetração do laser na resina e do perfil do feixe. Anisotropias ópticas foram identificadas, e medidas de espalhamento micro-Raman polarizado indicaram que a birrefringência e oriunda da tensão de cisalhamento perpendicular à direção da varredura causada pelo influxo de monômero em direção ao centro da polimerização.

Les procédés par ajout de matière sont soumis à des changements majeurs depuis ces dernières années. En effet, ils sont passés de procédés de prototypage rapide, à des procédés de fabrication additive pour la réalisation de pièces fonctionnelles. Ces changements ont entraîné de nouvelles attentes en termes de maîtrise de ces procédés. Dans le même temps, il subsiste certains problèmes dus à leur non-intégration dans une chaîne numérique complète et robuste. Ce point ne leur permet pas à l'heure actuelle de rattraper leur retard en terme de développement par rapport aux procédés plus traditionnels. Les limites de la structure actuelle au niveau de la commande numérique (s'appuyant sur le STL) des machines de fabrication additive ont été identifiées par les travaux de recherche de plusieurs groupes internationaux. La grande majorité a conclu au nécessaire développement d'une nouvelle structure de données basée sur le format STEP, qui apparaît comme étant un format adapté pour obtenir une chaîne numérique complète, robuste et s'appuyant sur des données de haut niveau conceptuel. Le but des travaux de thèse est donc de proposer une nouvelle structuration des données pour le procédé par ajout de matière basée sur le format STEP-NC puis dans le même temps de mettre en place une nouvelle chaîne numérique STEP-NC s'appuyant sur des DCN génériques du même type que ceux utilisés en usinage. La première partie du travail est la mise en place d'un modèle hiérarchisé des données nécessaire pour la description des procédés par ajout de matière. Ce modèle hiérarchisé permet d'identifier et de hiérarchiser toutes les données utiles à l'élaboration d'un projet de fabrication additive. La seconde étape consiste à partir des données du modèle hiérarchisé à la proposition d'un modèle de données STEP-NC pour l'introduction des procédés de fabrication additive dans la norme ISO 14649. Pour réaliser une chaîne numérique complète basée sur le STEP-NC, les travaux de l'équipe (qui concernent non seulement la fabrication additive mais aussi l'usinage) ont conduit à la mise en place d'une plateforme appelée SPAIM (STEP-NC Platform for Advanced and Intelligent Manufacturing). Dans cette plateforme la chaîne numérique complète (CAO-FAO-DNC) est intégrée autour d'un unique fichier STEP-NC sans perte d'information. Cette plateforme a de plus l'avantage de pouvoir être intégrée sur toutes les machines de nouvelle génération de fabrication additive équipées avec des DCN génériques.

L’acide polylactique (PLA) est l’un des polymères biosourcés qui suscite le plus d’intérêt, mais ses propriétés thermomécaniques nécessitent d’être améliorées. Pour ce faire, les méthodes les plus utilisées et étudiées sont de le mélanger avec d’autres polymères ou bien d’y ajouter des charges minérales nanométriques (nanoparticules), afin de constituer un nanocomposite à matrice PLA. C’est dans la combinaison de ces deux approches que s’inscrivent ces travaux de thèse, consacrés à l’élaboration et à la caractérisation des propriétés de nanocomposites à base d’un alliage de PLA et de polyamide 11 (PA11) 80/20 m/m. L’objectif de cette thèse est l’obtention d’un matériau biosourcé aux propriétés thermiques, mécaniques et de réaction au feu améliorées par le contrôle de sa morphologie et l’ajout de nanoparticules et de retardateurs de flamme (RF). Pour y parvenir, deux techniques de compatibilisation, destinées à améliorer l’adhésion interfaciale entre le PLA et le PA11, ont été évaluées. La première consistait à incorporer des nanoparticules de silice. Il a été noté d’importantes modifications de la morphologie et des propriétés rhéologiques du mélange d’étude, selon leur localisation dans le mélange étudié fonction de la nature chimique de la surface de la silice. La deuxième consistait à introduire un copolymère époxyde multifonctionnel réactif, dénommé Joncryl. La réactivité de ce copolymère avec le PLA et le PA11 a permis de compatibiliser le mélange d’étude, conduisant à une morphologie plus fine et à l’obtention de propriétés mécaniques supérieures à celles du mélange d’étude, en particulier avec l’ajout de 3%m de Joncryl. Des échantillons basés sur les mélanges compatibilisés par cette méthode ont été préparés par le procédé de fabrication additive FDM. Une étude de l’impact de ce procédé sur la morphologie et les propriétés mécaniques obtenues a été entreprise. Enfin, une meilleure réaction au feu pour le mélange compatibilisé avec 3%m de Joncryl a pu être obtenue par l’ajout combiné de nanoparticules de phyllosilicates et de RF. / Polylactic acid (PLA) is one of the biobased polymers that generates the most interest, but its thermomechanical properties need to be improved. To do that, the most used and studied methods consist of blending PLA with other polymers or adding nanoscaled mineral fillers (nanoparticles) to get a PLA based nanocomposite. This PhD work is dedicated to the elaboration and properties characterization of nanocomposites based on a filled PLA and polyamide 11 80/20 wt/wt blend. The aim is to obtain a biobased material with improved thermal, mechanical and fire reaction properties by controlling its morphology through the addition of nanoparticles and flame retardants additives.To achieve that, two compatibilization techniques, aiming to improve PLA-PA11 interfacial adhesion, were evaluated. The first one consisted of adding silica nanoparticles. Important changes of the blend morphology and rheological properties were noticed, depending on the localization of the two different silica nanoparticles used into the polymer blend phases. The second one consisted of introducing a reactive multifunctional epoxy copolymer, named Joncryl. The reactivity of this copolymer with PLA and PA11 allowed to compatibilize the blend, leading to a fine morphology and higher mechanical properties compared to those of the pristine blend. Samples of compatibilized blends obtained through this method were processed using FDM additive manufacturing process. A study of the influence of this process on the morphology and mechanical properties obtained for these samples was performed. Finally, a better fire reaction of compatibilized polymer blend with 3%wt Joncryl was obtained by the combined addition of phyllosilicates nanoparticles and flame retardants.

L'Organisation des Nations Unies vise à moderniser les industries afin de les rendre durables et plus respectueuse de l'environnement d'ici 2030. Afin de répondre à ces attentes, il faut mettre en place des voies d'améliorations des procédés de fabrication d'un point de vue environnemental. Cette démarche nécessite une connaissance fine des flux entrants et sortants lors de la fabrication d'un produit. Néanmoins, ce n'est pas le cas pour les procédés de fabrication additives ou les impacts environnementaux générés lors de la fabrication d'un produit sont encore méconnus. Par conséquent, il est primordial de bien "compter" les différentes sources de consommations et de rejets. Pour cela, une évaluation quantitative des flux intervenants pendant la fabrication de pièces est nécessaire pour améliorer la connaissance de la performance environnementale d'un procédé. Les travaux de cette thèse portent sur la proposition d'une méthodologie d'évaluation multicritère pour les procédés de fabrication additive afin de pouvoir prédire, dès l'étape de conception d'un produit, des informations sur les aspects techniques, économiques et environnementaux du couple pièce/procédé. Afin de proposer aux concepteurs la possibilité d'évaluer un produit dès son étape de conception, des modèles de consommation fins traduisant le comportement du procédé ont été mis en place. La méthodologie développée s’intéresse à l'ensemble des sources de consommation et de rejets ainsi qu'à l'ensemble des étapes nécessaires à la fabrication d'une pièce mécanique.Ce manuscrit est divisé en six chapitres qui permettent de présenter le contexte général de l'étude, l'état de l'art, la méthodologie d'évaluation multicritère, l'application sur les procédés de fabrication additive et l'exploitation sur un cas industriel. Le dernier chapitre se consacre à la conclusion sur les apports de ces travaux et propose des perspectives de recherche. / The United Nations aims to modernize industries in order to make them sustainable and more environmentally friendly by 2030. In order to meet these expectation, it is necessary to put in place ways of improving production processes from an environmental point of view. This approach requires a detailed knowledge of the incoming and outgoing flows during the manufacturing of a product. However, this is not the case for additive manufacturing processes where the environmental impacts generated during this stage are still unknown. For that, a quantitative evaluation of the flows involved during the manufaturing of parts is necessary in order to improve the knowledge of the environmental performance of a process. The work of this thesis focuses on the development of methodology for additive manufacturing processes in order to predict information on the technical, economic, and environmental aspects of a product during the design stage of a part. The methodology developped is increasingly interested in all the sources of consumption as well as all the stages necessary for the manufacturing of a mechanical part.This manuscript is divided into six chapters that can present the general context of the study, the state of the art, the methodology developped, a application of the methodology to additive manufacturing processes and the computer tool developed during this thesis. The last chapter is devoted to the conclusion on the contributions of this work and provides research perspectives.

La technologie de fabrication additive métal fil permet la fabrication de structures filaires complexes en 3 dimensions. Ce système se base sur l'utilisation d'un procédé de soudage qui va permettre le dépôt de la matière. Ce dernier est embarqué sur un bras robotique qui permettra de déplacer la torche de soudage aux positions désirées. Pour fabriquer de grandes structures filaires, le dépôt s'effectue point par point. L'utilisation d'un procédé de soudage induit des fluctuations sur le dépôt. Pour être adaptable facilement, deux aspects doivent être pris en compte. Premièrement, une instrumentation doit être embarquée. Un contrôle local sur la géométrie déposée doit être utilisé pour atteindre les formes finales désirées. Deuxièmement, certaines stratégies de dépôt doivent êtres implémentées pour piloter notre système dans les intersections de branches. Pour atteindre ces deux objectifs, un slicer adaptatif et modulaire, ainsi qu'un système de supervision et de contrôle du système ont été développés pour permettre l'implémentation du contrôle. Cela permet, si une erreur apparait, de changer la position de notre système de dépôt. Pour obtenir la géométrie désirée, notre système de supervision et de contrôle doit pouvoir : (i) effectuer un slicing de la géométrie à la volée lors de la fabrication avec un pas variable pour pouvoir prendre en compte les variations du procédé de dépôt et (ii) gérer les stratégies de dépôt au niveau des intersections pour décider des paramètres procédés et des trajectoires à employer. / Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) has the possibility to build metallic structures in 3D space. WAAM system is based on welding process to deposit metallic material and on a robot that moves the welding torch to add material at a given position. For large skeleton structures, it was chosen to deposit material point by point. Welding process induces fluctuations.To be fully scalable, two main features must be taken into account. First, monitoring of the process is necessary. Local control on the geometry of the deposition must be used to reach the final shape. Secondly, some deposition strategies must be implemented to manage branch intersections. To reach these two objectives, anadaptive and modular slicer and a process manager have been developed in order to implement this control. It allows us, if an error occurs during the deposition, to change the position of the effector or the process parameters. To obtain the desired geometry, the CAM software have to be able to, (i) do a slicing during the additive process of the part with a variable deposit height in order to take into account variation of the deposition process and (ii) manage the deposition strategy at intersection to output the position of the torch.

Les techniques de fabrication rapide, issues des techniques de prototypage rapide comme l’impression 3D ou la découpe laser permettent de fabriquer des pièces uniques sans demander d’expertise particulière du procédé mis en œuvre. En revanche la modélisation de nouveaux objets tout comme la personnalisation d’objets existants restent difficiles. En effet, les techniques de prototypages rapides imposent des contraintes sur la géométrie du modèle qui doivent être respectées. Cette thèse présente un ensemble de techniques qui ont pour point commun d’assister l’utilisateur dans la modélisation d’un objet, en tenant compte des contraintes du procédé qui permettra de le fabriquer. À cette fin, l’algorithme prend en charge tout ou partie de la modélisation. En particulier, les problématiques suivantes sont abordées : Tout d’abord, je propose d’améliorer la qualité des objets fabriqués avec une imprimante 3D en minimisant certains défauts qui apparaissent lors de la fabrication. Les approches développées modifient uniquement les algorithmes de pilotage de l’imprimante. En second lieu, je propose d’aider l’utilisateur à prendre en compte les contraintes de fabrication pendant la modélisation. Mes techniques utilisent des informations partielles sur la forme que l’utilisateur souhaite fabriquer, comme le dessin en deux dimensions d’un mécanisme, ou un modèle paramétrique qui définit un meuble. L’algorithme optimise une forme finale qui améliore des critères liés à sa fabrication (gaspillage, encombrement, etc.). Enfin, dans certains cas (e.g. grand public) l’utilisateur n’est pas forcément à même de modéliser ces formes via des logiciels spécialisés. Pour ce cas précis, je propose une technique de synthèse de meubles à partir de spécifications fonctionnelles, e.g. la spécification de poids à porter dans l’espace / The Rapid Manufacturing techniques that emerged from Rapid Prototyping techniques such as 3D printing or laser cutting allow to fabricate unique objects. However, the design of those objects with existing CAD software remain a difficult task: rapid prototyping processes impose constraints on the geometry of the model. This thesis presents a set of techniques that assist the user in the design of an object by taking into account the constraints of the fabrication process. To achieve this, the algorithm automatically performs part of the modelling process. The following problems have been tackled: First, I propose to improve the quality of 3D printed objects by minimizing defects that appear during the fabrication. The technique developed impacts only the algorithm that drives the printer. Then, I propose to help the user to take into account the fabrication constraints during the modelling process. My techniques rely on partial information about the shape that the user wants to fabricate like the 2D sketch of a mechanism or a parametric model of a furniture. The algorithm optimizes the initial shape to improve fabrication objectives(Wastage, etc.) Finally, in some cases, the user does not know how to operate dedicated software. In this case, I propose a synthesis technique of furniture from functionnal specification, e.g. loads that have to be supported in space

Le procédé de fusion sélective « lit de poudre » (SLM) permet d'élaborer des pièces métalliques bonne matière (denses) directement à partir de la fusion de couches de poudres successives. De nombreux problèmes techniques doivent encore être surmontés pour faire du SLM un processus de fabrication entièrement viable. C'est le cas de l’état de surface et de l'apparition systématique de porosités, qui nécessitent des étapes de post-traitements. Jusqu'à présent, l'origine de la porosité reste incertaine mais est supposée être liée à la stabilité du procédé. Cette thèse propose une étude originale de l'interaction laser-poudre-bain liquide sur 316L et sur deux alliages d’aluminium (5086 et 4047) avant d’étudier les conditions de densification de la matière. Le travail de cette thèse s’articule en deux parties. Dans la première partie, une étude expérimentale de l’interaction laser-matière a été effectuée sur un banc instrumenté à partir d’imagerie par caméra rapide (>10 000 images /s). Les conditions de formation des éjections métalliques, de dénudation en poudre, l’hydrodynamique des zones fondues (dont le humping) ont été caractérisées et quantifiées. Tous ces phénomènes sont liés aux fortes densités de puissance utilisées en SLM, qui favorisent le régime de keyhole et la vaporisation. La deuxième partie de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’origine et le taux de porosités sur une machine SLM. Une formulation analytique de la densification, dépendante d’un paramètre énergétique VED, a été validée par une étude expérimentale de l’évolution du taux de porosité, quelle que soit l’épaisseur de poudre. Un premier lien a été réalisé entre les dimensions des cordons de fusion et les conditions de densification. Enfin, une forte interaction (diffusion de Rayleigh ou absorption) a été observée entre le faisceau laser incident et les nanoparticules contenues dans la colonne de vapeur métallique, à l’origine de la dispersion importante des profondeurs de fusion. / The selective laser melting (SLM) process allows to produce dense metal parts directly from the melting of successive powder layers. However, many technical issues are still to overcome for making SLM a fully viable manufacturing process. This is the case of surface finishing and the systematic occurrence of porosities, which require post machining steps. Up till now, the origin of porosities remains unclear but is expected to be related to the stability of the process. This thesis proposes an original study of the laser-powder-melt pool interaction on 316 L and on two aluminum alloys (5086 and 4047) before studying the material’s densification conditions. The work is structured in two parts. In the first part, an experimental study of the laser-matter interaction has been carried out on an instrumented SLM setup equipped with a fast camera (>10 000 images /s). The conditions of formation of metal ejections, denudation and hydrodynamics of melt pool (including humping) have been characterized and quantified. All these phenomena are related to the high power densities used in SLM, which favor keyhole regime and vaporization. The aim of the second part of this work was to characterize the origin and the porosity fraction on an SLM machine. A first correlation has been made between the dimensions of the fusion beads and the densification conditions. A strong interaction (Rayleigh scattering or absorption) has been observed between the incident laser beam and the nanoparticles contained in the metal vapor column: this interaction is responsible for the significant dispersion of melting depths.

Cette recherche vise à proposer une approche intégrée permettant la prise en compte simultanée des paramètres Produits / process dans le cadre d’une fabrication par ajout de matière. Le développement produit est en profonde mutation, prenant en compte les contraintes de personnalisation, de temps de mise sur le marché de plus en plus court, la volonté d’une approche eco-responsable etc. Ce changement de paradigme conduit à s’intéresser au choix du couple matériau /process dès la phase de conception afin de prendre en compte les contraintes liées au procédé identifié. Cette approche multi critère s’intéresse à la fois au couple matériau procédé mais prend en compte les aspect fonctionnels de la pièce. Ainsi ce travail de thèse présente une méthodologie de décision générique, basée sur des outils de prise de décision multicritères, qui peut non seulement proposer une solution satisfaisant les contraintes liées aux matériaux, processus et processus par addition de matière, mais propose également de servir de guide aux concepteurs permettant un choix raisonné basé sur des combinaisons matériau-machine orientées conception et obtenu à partir d’une base de données de 38 fournisseurs internationaux de machine de fabrication par ajout de matière. / The doctoral research focuses to build an integrated approach that can simultaneously handle the product and process parameters related to additive manufacturing (AM). Since, market dynamics of today are constantly evolving, drivers such as mass customization strategies, shorter product development cycles, a large pool of materials to choose from, abundant manufacturing processes, etc., have made it essential to choose the right compromise of materials, manufacturing processes and associated machines in early stages of design considering the Design for AM guidelines. As several criteria, material attributes and process functionality requirements are involved for decision making in the industries, the thesis introduces a generic decision methodology, based on multi-criteria decision-making tools, that can not only provide a set of compromised AM materials, processes and machines but will also act as a guideline for designers to achieve a strong foothold in the AM industry by providing practical solutions containing design oriented and feasible material-machine combinations from a database of 38 renowned AM vendors in the world today.

La fusion laser sélective d’un lit de poudres (Selective Laser Melting – SLM) connait un véritable essor depuis quelques années,notamment en ce qui concerne la production de pièces métalliques. La faible densité des alliages d’aluminium, conjuguée à l’optimisation de conception rendue possible grâce aux procédés de fabrication additive, assure un gain de masse des structures conséquent, ce qui intéresse fortement les industriels des domaines automobile et aéronautique. Cependant, les propriétés finales des pièces aluminium fabriquées par SLM dépendent des nombreux défauts sont générés lors de la fabrication (porosités, fissuration à chaud, état de surface, …). Cette thèse s’intéresse aux moyens de mieux maîtriser ces problèmes en explorant trois axes : Une identification et sélection des méthodes de caractérisations adaptées aux spécificités des matériaux métalliques élaborés par les procédés de fabrication additive « lit de poudre » a été mise en place. Par exemple, la comparaison de différentes méthodes de détermination de la densité relative de pièces nous a permis de montrer les avantages et inconvénients de chacune des techniques employées ; Une étude du moyen de fabrication SLM a mis en évidence l’influence de différents facteurs (flux de gaz, position des éprouvettes sur le plateau de construction, méthodes de dépôt de la poudre) sur les propriétés finales des pièces produites.Ces éléments ont un impact sur la densité des pièces, leurs propriétés de surface et leurs propriétés mécaniques. Nous avons ainsi constaté que la façon de positionner une pièce sur le plateau est une étape de la préparation d’une fabrication à ne pas négliger ; Les études paramétriques menées sur deux types d’alliages d’aluminium, AlSi7Mg0,6 et AM205, ont montré que la composition chimique de l’alliage d’aluminium employé influence de façon non négligeable le jeu de paramètres opératoires à appliquer pour fabriquer une pièce de manière optimale. La densité d’énergie volumique ψ, rapport de la puissance laser avec le produit de la vitesse de lasage, de la distance inter-cordons et de l’épaisseur de couche, est utilisée de façon classique pour l’optimisation des conditions opératoires en SLM. Nos études expérimentales à différentes échelles (1D et3D) ont permis de mettre en évidence les limites de ce critère. La combinaison de ces résultats à la simulation numérique du lasage d’un cordon de poudre a servi de base à la définition d’un premier modèle dont l’objectif sera à terme d’optimiser le choix des paramètres de fabrication. / Interest in selective laser melting (SLM) has been growing in recent years, particularly with regard to the production of metal parts.The low density of aluminum alloys, combined with the possible design optimization enabled by additive manufacturing processes,ensures a significant decrease in the mass of structures which is very interesting for manufacturers in the automotive and aerospaceindustries. However, it is difficult to control the final properties of aluminum parts manufactured by SLM because many defects, suchas porosity, hot cracking, and surface roughness, are generated during the process. To better understand how to optimize theperformance of SLM aluminium parts, several studies were conducted during this work: An identification and selection of characterization methods well-adapted to the specificities of metallic materials developedby powder bed additive manufacturing processes was established. For instance, the comparison of different methods ofdetermining the relative density of parts showed the advantages and disadvantages of each of the techniques; A study of the SLM machine highlighted the influence of various factors (gas flow, positions of specimens on the constructionplate, or methods of depositing the powder) on the final properties of the produced parts. These elements have an impacton the density of the parts, their surface properties, and their mechanical properties. We found that the positioning of a pieceon the tray is a critical step in the preparation of a build that is not to be neglected; Parametric studies carried out on two types of aluminum alloys—AlSi7Mg0,6 and AM205—have shown that the chemicalcomposition of the aluminum alloy used has a significant influence on the set of operating parameters required tomanufacture an acceptable aluminum alloy part. The energy density, ψ, which is the ratio of the laser power to the productof the lasing speed, the hatching distance, and the layer thickness, is conventionally used for the optimization of the operatingconditions in SLM. Our experimental studies performed at different scales (1D and 3D) have shown the limits of this criterion.The combination of these results with the numerical simulation of the lasing of a single powder bead served as a basis forthe definition of an initial model, the final objective of which will be to optimize the choice of manufacturing parameters.