Thèse Maîtrise des Stratégies en Fabrication Additive Eb-Pbf pour la Réalisation de Pièces sans Support Stratégie Modélisation et Validation Expérimentale H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
Direction de la thèse : Yann LEDOUX ORCID 0000000314218345
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

- Contexte et Enjeux
La Fabrication Additive (FA) révolutionne la production industrielle en permettant la fabrication rapide et automatisée de pièces aux géométries complexes jusqu'alors impossibles à réaliser. Cependant, pour optimiser ces procédés, il faut surmonter plusieurs défis technologiques et scientifiques, notamment concernant la qualité des pièces, l'optimisation matérielle et les opérations de finition.
Le procédé EB-PBF (Electron Beam Powder Bed Fusion) présente de nombreux avantages notamment une meilleure santé matière et contraintes résiduelles réduites. Néanmoins, il nécessite des structures de supportage pour diffuser la chaleur et stabiliser les pièces pendant la fusion. Ces supports génèrent des problèmes majeurs : temps de préparation important, gaspillage matériel, enlèvement coûteux avec risques de détérioration des surfaces, opérations d'usinage supplémentaires et perte énergétique globale du procédé.
L'étude se concentre sur le TA6V (alliage de titane), matériau critique pour l'aérospatiale et le médical.

- Question de Recherche
Comment mettre en place un couplage entre optimisation de trajectoire de faisceau et modélisation thermique prédictive pour minimiser les supports en EB-PBF via l'approche PointMelt, tout en garantissant la santé matière et les propriétés mécaniques du TA6V ?

Problématique Scientifique
Réduire ou éliminer les supports requiert une maîtrise fine du couplage thermique-mécanique et géométrique lors de la fusion. Des travaux récents ont démontré que la stratégie de fusion impacte significativement les contraintes résiduelles. L'apport ponctuel d'énergie (PointMelt) limite les distorsions géométriques, réduit les zones en surfusion et les défauts métallurgiques, tout en améliorant les performances des pièces produites.
Contrairement à l'optimisation topologique (coûteuse en calcul) ou à l'optimisation d'orientation (géométriquement limitée), l'approche PointMelt permet d'agir sur la physique de la fusion pour minimiser les supports et améliorer la santé matière.

Objectifs de Recherche
La thèse poursuit quatre objectifs spécifiques :
Développement technologique : Formuler et implémenter des stratégies PointMelt optimisées, adaptées à la machine Arcam A1, en fonction des géométries cibles (cavités, parois fines, structures complexes).
Pilotage des trajectoires : Développer une méthode de contrôle des trajectoires de faisceau (positionnement, vitesse, puissance) basée sur la géométrie et les simulations numériques.
Modélisation numérique : Construire et valider des modèles thermiques prédictifs permettant d'anticiper les défauts et distorsions (distribution de température, gradients thermiques, dilatation).
Validation expérimentale : Conduire une campagne de caractérisation et fabrication de pièces en TA6V, étudiant la santé matière, les opérations additionnelles nécessaires et les consommations (matière, énergie).

Approche Méthodologique
L'approche repose sur une méthode itérative intégrée combinant :
Développement et implémentation de stratégies PointMelt sur la machine Arcam A1
Modélisation numérique thermique prédictive
Validation expérimentale sur TA6V (santé matière, géométrie, propriétés mécaniques)
Corrélation expérience-modèles et optimisation globale

Des essais préliminaires ont validé la faisabilité de cette stratégie. Des mesures thermiques in-situ permettent d'étudier les champs de température et leur dynamique pendant la fabrication.

Contributions Attendues:
Méthode générale pour piloter les opérations de fabrication avec PointMelt
Modèles numériques prédictifs validés et opérationnels
Base de données paramétriques TA6V avec règles de fabrication
Démonstration expérimentale d'au moins 50 % de réduction des supports sans dégradation de qualité

La FA transforme la production industrielle en permettant la fabrication rapide de pièces aux géométries complexes, particulièrement dans les secteurs aérospatial et médical où la valeur ajoutée est critique
Procédé EB-PBF requiert des structures de supportage générant gaspillage matériel, coûts d'enlèvement élevés et opérations additionnelles
Approche PointMelt : Cette stratégie d'apport ponctuel d'énergie agit directement sur la physique de la fusion pour minimiser les supports, contrairement aux approches classiques (optimisation topologique coûteuse, optimisation d'orientation limitée)

Enjeu du couplage thermique-mécanique : Maîtriser finement le couplage thermique-mécanique et géométrique lors de la fusion est crucial pour maîtriser les défauts métallurgiques, les distorsions et améliorer les propriétés mécaniques des pièces

Matériau stratégique TA6V : L'alliage de titane TA6V, essentiel pour les applications critiques aérospatiales et médicales, requiert des procédés innovants garantissant qualité irréprochable et optimisation matérielle

- Développer et implémenter des stratégies PointMelt optimisées adaptées à la machine Arcam A1 pour différentes géométries complexes (cavités, parois fines, structures)
- Créer une méthode de contrôle des trajectoires de faisceau (positionnement, vitesse, puissance) basée sur la géométrie et les simulations numériques thermiques
- Construire et valider des modèles thermiques prédictifs permettant d'anticiper les défauts, distorsions et comportements thermomécaniques en cours de fabrication
- Conduire une campagne expérimentale complète de caractérisation et fabrication de pièces en TA6V pour évaluer la santé matière, les propriétés mécaniques et les consommations

- Approche intégrée : développement technologique, modélisation numérique et validation expérimentale intégrée permettant la définition et l'optimisation des stratégies PointMelt
- Développement et implémentation technologique : Mise en oeuvre de stratégies PointMelt optimisées sur la machine Arcam A1, adaptées à différentes géométries cibles (cavités, parois fines, structures complexes)
- Modélisation numérique thermomécanique prédictive : Construction de modèles validés permettant de simuler la distribution de température, les gradients thermiques et la dilatation pour anticiper les défauts et guider l'optimisation des trajectoires de faisceau
- Validation expérimentale : Campagne de fabrication et de caractérisation de pièces en TA6V, incluant mesures thermiques in-situ, évaluation de la santé matière, propriétés mécaniques et consommations (matière, énergie)
- Optimisation globale et transfert : Corrélation des résultats expérimentaux avec les prédictions numériques, élaboration d'une base de données paramétriques et de règles de fabrication opérationnelles pour démontrer une réduction minimale de 50% des supports sans dégradation de qualité