Contexte scientifique :

Les procédés de fabrication additive par apport de fil métallique (FA-fil) sont de plus en plus utilisés dans de nombreux secteurs d’activité tels que le domaine du nucléaire. Ils rendent la conception de pièces aux géométries complexes plus accessibles tout en permettant de potentielles économies de métal d’apport en comparaison aux procédés de fabrication conventionnels [1] [2] [3].

La réalisation d’une pièce par FA-fil nécessite le contrôle de nombreux paramètres [4] :

• la régularité et les dimensions d’un dépôt sont conditionnées par les valeurs appliquées de puissance de la source d’énergie, vitesse de dépôt et débit d’apport de fil, tandis que ;
• dans le cas de la fabrication de pièces plus massives, la stratégie de dépôt (trajectoire), les temps de refroidissement et les possibles déformations se produisant au cours de fabrication sont également à considérer.

Dans le scope des projets sur la fusion nucléaire au CEA et en Europe, des études visant à fabriquer une pièce complexe en P91 à l’aide du procédé WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) sont actuellement en cours au laboratoire. Dans ce cadre, des paramètres du procédé WLAM conduisant à des fabrications répondant à plusieurs critères de qualité macro- et microscopiques ont été définis. L’acier ferrito-martensitique P91 présente une proximité métallurgique avec l’acier EUROFER97, étudié pour être le matériau constituant de diverses pièces situées au cœur des futurs réacteurs à fusion nucléaire. En raison du coût et des difficultés d’approvisionnement de l’EUROFER97, nous utilisons le P91 pour nos études.

Contenu technique et scientifique :

L’objectif du stage proposé est d’acquérir des données thermiques et mécaniques lors de la fabrication d’une pièce en acier P91 à l’aide du procédé WLAM, dans le but de calibrer un modèle thermomécanique inspiré de modèles existants au laboratoire.
 
La démarche de travail envisagée est la suivante :

1. Calibration thermique. Comparaison de mesures réalisées par caméra thermique avec des données issues de plusieurs thermocouples placés dans le champ d’acquisition de la caméra thermique. Détermination d’une loi d’émissivité du matériau en fonction de la température.
2. Choix collégial d’une géométrie d’étude et d’une stratégie de fabrication, reprenant diverses spécificités d’un cas de fabrication d’une structure complexe.
3. Acquisition du champ de température lors de la fabrication de la pièce d’étude.
4. Acquisition mécanique. Mesure de l’évolution de la hauteur du dépôt en cours de fabrication et des déformations du substrat à l’aide d’un profilomètre 2D et de capteurs de déplacements. Mesure de l’évolution des distorsions lors du débridage du substrat.
5. Développement d’un modèle thermomécanique par éléments finis avec Cast3M de la fabrication en suivant la géométrie d’étude, s’inspirant des modèles existants au laboratoire. Comparaison aux données expérimentales et calibration.

L’offre s’adresse à un·e candidat·e en dernière année d’école d’ingénieurs ou équivalent Master 2 dans le domaine de la mécanique ou des matériaux, avec un intérêt fort pour la caractérisation expérimentale (notamment thermique et mécanique).
Des compétences en simulation numérique par éléments finis et une sensibilité aux procédés de fabrication additive métallique seraient un plus.

Démarrage autour de Mars 2027, pour une durée de 6 mois. 

Le stage sera encadré par :         

• Damien ARTIÈRES (Ingénieur Chercheur, CEA Saclay SRMA/LTA) et
• Serge PASCAL (Ingénieur Chercheur, CEA Saclay SRMA/LTA).