Depuis 1984, les matériaux à gradients de fonction (FGM) permettent de former une barrière thermique et réduire les fortes discontinuités des propriétés entre deux matériaux de nature différente. Ces multi-matériaux, qui consistent en une variation intentionnelle de la composition chimique entrainant par conséquent une modification des propriétés microstructurales, chimiques, mécaniques et thermiques, permettent de lisser la distribution des contraintes thermiques. L’élaboration in situ de ces alliages sur mesure est rendu possible grâce à l’utilisation de procédés de fabrication additive tel que le procédé par dépôt de poudres DED-CLAD®. Ces procédés connaissent un essor considérable depuis les années 1980 et sont idéaux dans la fabrication de FGM. Dans le cadre de cette thèse CIFRE, des développements techniques ont été effectués pour adapter le procédé DED-CLAD® et permettre la réalisation de FGM. Grâce à plusieurs collaborations industrielles, une étude complète a été réalisée sur les alliages titane-molybdène et titane-niobium. Ces alliages permettent dans le premier cas de réaliser des pièces résistantes à de fortes sollicitations thermiques (secteur spatial), et dans le second cas d’associer les propriétés mécaniques et la biocompatibilité (secteur biomédical). L’originalité de cette thèse repose sur l’étude d’un gradient complet, c’est-à-dire que l’ajout en élément d’alliage varie de 0% à 100%. En effet, les études reportées dans la littérature ne font pas mentions des alliages titane-matériaux réfractaire pour des taux élevés en élément réfractaire. Les analyses microstructurale (DRX, structure cristallographique par EBSD, microstructure), chimique (EDS) et mécanique (microdureté, tests de traction et essais d’indentation instrumentée) ont mis en évidence une évolution des propriétés le long du gradients de composition. La caractérisation mécanique des échantillons par indentation instrumentée s’est par ailleurs révélée particulièrement pertinente dans les cas de ces multi-matériaux / Since 1984, the Functionally Graded Material (FGM) allow to create a thermal barrier and to reduce the strong discontinuities of properties between two materials of different composition. These multimaterials,whose consist of an intentional variation in the chemical composition and, consequently, modify the microstructural, chemical, mechanical and thermal properties, lead to a smooth distribution of the thermal stress. The in-situ development of these custom-made alloys is made possible by the use of additive manufacturing processes such as the DED-CLAD® powder deposition process. These processes have grown substantially since the 1980s and are optimal for the manufacture of FGM. During this industrial thesis, technical developments have been carried out to adapt the DED-CLAD® process and to allow the manufacturing of FGM. Thanks to two industrial collaborations, a full study was carried out on titanium-molybdenum and titanium-niobium alloys. These alloys make it possible, in the first case, to produce parts resistant to strong thermal stress (space sector), and in the second case to combine mechanical properties and biocompatibility (biomedical sector). The originality of this thesis rests on the study of a complete gradient, that is the addition in alloy element varied from 0% to 100%. In fact, studies reported in the literature do not mention titanium-refractory material for high levels of refractory element. Microstructural (XRD, crystallographic analysis by EBSD technique), chemical (EDS) and mechanical (microhardness, tensile test and instrumented indentation) analyses revealed an evolution of the properties along the chemical gradient. The mechanical characterization of the sample by instrumented indentation has also proved particularly relevant in the case of these multi-materials

Le forgeage multi-matériaux est un procédé permettant la mise en forme et l’assemblage simultanés de matériaux différents. Ce procédé permet d’obtenir des pièces multi-matériaux avec le « bon matériau placé au bon endroit ». L’objectif des travaux de thèse est de définir les conditions nécessaires à l’établissement de la liaison métallurgique par forgeage à l’interface d’un couple d’aciers. Dans un premier temps, l’état de l’art a servi à l’identification les phénomènes physiques accompagnant le forgeage multi-matériaux et les paramètres clés pilotant l’établissement de la liaison métallurgique. Le principe de base de l’établissement d’une liaison passe par la fragmentation des oxydes en surface des matériaux et par l’application d’une pression de contact favorisant le contact entre les matériaux nus et la diffusion. Les deux paramètres clés identifiés sont donc la pression normale de contact et l’expansion de surface. Le protocole de caractérisation du co-forgeage mis en place comporte trois essais « simples » permettant de solliciter les interfaces avec des pressions et des expansions différentes. Ces dernières, estimées par simulation numérique de l’essai, sont mises en relation avec la qualité des liaisons obtenues évaluée, quant à elle, au travers d’observations métallographiques. Les premières simulations permettent de dimensionner les campagnes expérimentales. Celles-ci sont ensuite conduites sur les moyens de mise en forme de la plateforme VULCAIN. Les efforts de mise en forme et la géométrie globale des pièces et la répartition de matière servent de base à l’identification des paramètres de la simulation. La simulation ainsi obtenue et les observations métallographiques aux interfaces sont ensuite mises en lien. Cette démarche a permis de confirmer l’importance du rôle joué par la pression de contact et l’expansion de surface sur l’établissement d’une liaison au cours de la mise en forme du multi-matériaux. La répartition et la forme des particules d’oxydes semblent liées au chemin thermomécanique subi par l’interface. / The multi-material forging is a forming process allowing, simultaneously, the welding and shaping of multi-material parts with the right material at the right place. The purpose of the presented work is to identify the necessary conditions to obtain a metallurgical bond during forming between two different grades of steel. First, the state of the art allowed the identification of the physical phenomena occurring during multi-material forging and the determination of the key parameters of the bonding which are the contact pressure and the surface expansion at the both sides of the interface. The mechanisms to establish metallurgical bond by forging are based on the breaking and the dispersion of the oxide layer at the interface then the extrusion of the soft material through the voids generated between the oxide fragments. Second, the characterization methodology of this work is presented. It consists of three “simple” forming tests leading to different interface conditions (contact pressure and surface expansion). The first simulations allow the design of the experimental plan for each test. The comparison between simulations and experiments allows the identification of physical parameters of the simulation. Then, the contact pressure and the surface expansion of the identified simulations are used to analyze the metallographic structure and the bonding at the interface.The developed work confirms the major effect of the contact pressure and the surface expansion on the establishment of a metallurgical bond during multi-material forming. The size and the shape of the oxide particles seem to depend on the thermomechanical path at the interface.

On s’intéresse à la simulation d’écoulements compressibles multi-matériaux et, notamment, aux interactions fluide/structure dans les régimes transitoires et en dynamique rapide. Le but est de pouvoir décrire l’évolution de matériaux de lois de comportement très différentes à l’aide d’un modèle unique. Les milieux sont seulement différenciés par leurs équations d’état et sont séparés par une interface dite sharp. Les matériaux peuvent être des fluides ou des solides élastiques et sont soumis à de grandes déformations. Le modèle est écrit dans le formalisme eulérien. Le schéma numérique est résolu sur des grilles cartésiennes pour des simulations en trois dimensions.Une extension du modèle permet de décrire les déformations plastiques des solides. / We are interested in the simulation of compressible multimaterial flows and especially influid/structure interactions in transient states and fast dynamics. We aim to describe the evolution of materials of very different constitutive laws with an unified model. The materials are only differentiated by their own constitutive laws and are separated by a sharp interface. They can be as well fluids or elastic solids and under go large de formations. The model is written in the Eulerian framework. The numerical scheme is solved on Cartesian grids for simulations in three dimensions. An extension of the elastic model is added to describe the plastic deformations of solids.

The aim of this thesis is to design and implement a toolchaning system for a 3D printer. As a consequence of such expansion, the printer gains the ability of multimaterial printing and switching between a number of active and passive tools during a single production process. In addition to extensive research of other currently available solutions, this thesis describes the complete mechanical and electrical design process of the device. It also documents the implementation of a functional sample, the creation of software both for the base system and the toolchanger expansion, and the implementation of an associated optical measurement and calibration system.

Ce travail de thèse porte sur l'extension et l'analyse d'un solveur volumes finis eulérien, co-localisé avec capture d'interfaces pour la simulation des écoulements multi-matériaux non miscibles. Les extensions proposées s'inscrivent dans la volonté d'élaborer un outil de simulation multi-physiques. Dans le cadre de ce mémoire, le caractère multi-physiques recouvre les champs que nous allons détailler. Nous traitons le cas des écoulements radiatifs modélisés par un système à deux températures qui couple les phénomènes purement hydrodynamiques aux phénomènes radiatifs. Nous proposons un solveur permettant la prise en compte des effets de tension superficielle à l'interface entre deux fluides. Nous développons un solveur implicite permettant la simulation précise d'écoulements faisant intervenir de faibles nombres de Mach par le biais d'une méthode de renormalisation de la diffusion numérique. Enfin, les effets tri-dimensionnels sont considérés ainsi que la possibilité d'étendre le schéma de base aux écoulements à un nombre quelconque de matériaux. A chaque étape, les solveurs développés sont validés sur des cas-tests. / This work is devoted to the extension of a eulerian cell-centered finite volume scheme with interfaces capturing for the simulation of multimaterial fluid flows. Our purpose is to develop a simulation tool which could be able to handle multi-physics problems in the following sense. We address the case of radiating flows, modeled by a two temperature system of equations where the hydrodynamics are coupled to radiation transport. We address a numerical scheme for taking surface tension forces into account. An implicit scheme is proposed to handle low Mach number fluid flows by means of a renormalization of the numerical diffusion. Eventually, the scheme is extended to three-dimensional flows and to multimaterial flows, that is with an arbitrary number of materials. At each step, numerical simulations validate our schemes.

Les performances exceptionnelles des composites naturels comme la nacre ou le bois émergent de l’arrangement précis d’éléments souples et rigides à l’échelle nanométrique. L’assemblage couche-par-couche permet la fabrication de films avec un contrôle nanométrique de l’organisation et de la composition. Ce travail décrit l’assemblage et les propriétés de nouveaux nano-composites contenant des nano-renforts 1-D (fibrilles de cellulose) et 2-D (plaquettes d’argile). Nous avons combiné les argiles avec une matrice extrêmement souple de poly(diméthylsiloxane) dans une architecture lamellaire imitant celle de la nacre. Nous avons étudié des composites à base de fibrilles de cellulose aléatoirement orientées dans le plan, puis alignées dans une direction pour mieux imiter les parois cellulaires du bois. Les propriétés mécaniques de ces composites bio-inspirés égalent ou surpassent celles de leurs homologues naturels, tout en étant transparents et dans certains cas auto-réparants. / Natural materials such as nacre or wood gain their exceptional mechanical performances from the precise organisation of rigid and soft components at the nano-scale. Layer-by-layer assembly allows the preparation of films with a nano-scale control over their organisation and composition. This work describes the assembly and properties of new nano-composites containing 1-D (cellulose nano-fibrils) and 2-D (clay nano-platelets) reinforcing elements. The clay platelets were combined with an extremely soft matrix (poly(dimethylsiloxane)) to mimic the lamellar architecture of nacre. Cellulose based composites with a random in plane orientation of the fibrils were studied first, later we aligned the fibrils in a single direction to mimic further the cell wall of wood. The mechanical properties of these bio-inspired composites match or surpass those of their natural counterparts, while being transparent and in one case self-repairing.

This thesis deals with improvement of 3D-manipulator which is currently used for 3D printing. The improvement involves adding a new printer head which will be able to acquire various colors by mixing up to three materials. Furthermore, device is extended with milling as a finishing process responsible for better surface quality of printed object.