Offre de thèse - IRCER - Impression 3D de verre : applications aux composants pour l’optique

 

Aujourd’hui, la fabrication additive FA (ou l’impression 3D) est vue non seulement comme un nouveau procédé d’élaboration des produits, mais aussi comme un vecteur structurant de l’usine du futur, apte à engendrer une nouvelle révolution industrielle. De plus la fabrication additive est en train de basculer du prototypage rapide vers un réel outil de production industriel pour de multiples matériaux (polymères, métalliques, céramiques). Le concept de prototypage rapide est issu principalement des avancées technologiques simultanées de laConception Assistée par Ordinateur (CAO) 3D, des développements informatiques à partir d’algorithmes géométriques – particulièrement du tranchage virtuel – et de la réalisation de pièces en 3D, couche par couche. Plusieurs techniques sont actuellement développées pourréaliser des objets 3D:

- La stéréolithographie permet de générer des objets en trois dimensions dans une cuve remplie d’un liquide monomère polymérisable. Cette technique utilise un faisceau laser, dont le déplacement est piloté par un ordinateur, pour solidifier la résine photosensible par polymérisation et ainsi créer l’objet point par point puis couche par couche.

- Le robocasting est une technique de fabrication additive dans laquelle un filament de pâte est extrudé à partir d'une petite buse tandis que la buse est déplacée sur une plate-forme. L'objet est ainsi construit en «écrivant» la forme requise couche par couche. Lorsque la buse est chauffante, cette technologie également appelée« fused deposition modeling » (FDM) permet la fusion d’un fil de matière(matériaux thermoplastiques, cire, composites métal/polymère, verre)

- La technologie de frittage sélectif (Selective Laser Sintering/Melting) consiste à réaliser la fusion (ou frittage) locale d’un matériau, présenté sous forme de poudre, sous l’action d’un laser.

- La technologie « binder-jetting » : une tête d’impression applique un agent liant(liquide) sur un lit de poudre. En « collant » les particules ensemble, la pièce est construite couche par couche.Toutes ces techniques permettent l’obtention de pièces de forme complexe à partir de fil(polymère, verre), de pâte/encre (céramique) ou de poudre (métal, céramique, verre,polymère, composite) avec ou sans post-traitements (déliantage, frittage, finition).

L’impression 3D du verre débute en 2015 par les travaux du Massachussetts Institute ofTechnology (MIT) aux USA (robocasting haute température) [1] puis se poursuit avec lestravaux du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en Allemagne avec l’impression de verrepar stéréolithographie [2].[1] J. Klein et al., Journal of 3D Printing and Additive Manufacturing, 2, 92-105 (2015)[2] F. Kotz et al., Nature, 544, 337-339 (2017)

Ce sujet de thèse s’organise autour de 2 objectifs principaux :

- L’élaboration d’un objet en verre à base de silice amorphe par 2 procédés différents de fabrication additive (FA). Ces 2 procédés sont la stéréolithographie et le binder-jetting. La maîtrise des différents paramètres liés à la poudre et à l’élaboration des pâtes ainsi que ceux liés aux paramètres machines sera très importante. L’optimisation de la pièce en « cru » sera essentielle pour les post-traitements de frittage permettant la transparence de l’objet en verre. La comparaison des 2 techniques pour une même composition (silice vitreuse) permettra de déterminer celle qui semble la plus prometteuse.

- L’originalité de ce projet de thèse repose également sur la fabrication et la conception d’objets multi-verres ou composites (verre/cristaux) pour les composants optiques/préformes grâce au développement des machines de stéréolithographie et de binder-jetting.

Les potentielles applications de l’impression 3D du verre concernent :

1) Les composants optiques : lentille à gradient d’indice, lames de phases, composant optique sur mesure. Il sera donc possible sur un seul support (verre) de réaliser des zones avec différentes fonctions (ex : lame π, π/2, π/4, etc). Ensuite, depuis quelques années, la notion d’ordinateur tout-optique stimule la communauté scientifique et de nombreuses recherches sont développées (ex : circuit optique, etc). La fabrication additive permettrait ainsi de réaliser certains composants et même si la résolution des techniques actuelles nécessite d’être améliorée, cette étude pourrait donc s’inscrire dans une logique de « proof of concept ».

2) Les préformes pour l’élaboration de fibres optiques vitreuses ou composites avec de nouvelles fonctionnalités.

 

Le/la candidat(e) possèdera une formation (bac+5) en science des matériaux. Des notions dans le domaine des matériaux vitreux ou des techniques d’impression 3D ou de caractérisations des matériaux (DRX, MEB, propriétés optiques) seraient appréciables.

Durée de la thèse : 3 ans Début : octobre/novembre 2020 Salaire : 1600 € nets /mois

Encadrants :
IRCER : Gaëlle DELAIZIR (https://www.ircer.fr/)

CTTC : Olivier DURAND (https://www.cttc.fr/)

Pour plus d’informations, n’hésitez pas à contacter :

Gaëlle DELAIZIR : This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Olivier DURAND : This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Date limite de candidature : 15 avril 2020