Offre de thèse 2025 – Jumeau numérique pour la fabrication additive indirecte de céramiques (FAI-CERATWIN)

ENVIRONNEMENT DU POSTE :

École du ministère en charge de l'industrie, IMT Mines Albi est une école de l’Institut Mines-Télécom (IMT), 1er groupe d’écoles d’ingénieurs et de management de France. À l'avant-garde des enjeux industriels et académiques sur la scène internationale, elle agit comme un moteur scientifique et économique territorial en combinant ses 4 missions - former des ingénieurs en intégrant la dynamique du développement durable, faire de la recherche scientifique, contribuer au développement économique et diffuser la culture des sciences, des techniques et de l'innovation - en un cercle vertueux et porteur d'innovation.

Son positionnement en matière de formation et de recherche place IMT Mines Albi comme une école de référence sur trois des quatre thématiques de l’IMT, à savoir l’industrie du futur responsable, l’énergie, économie circulaire et société ainsi que l’ingénierie, santé et bien-être. IMT Mines Albi s‘est dotée en 2023 et pour une période quinquennale, d’un plan stratégique décliné en 7 grandes actions, répondant aux orientations stratégiques du groupe IMT à laquelle elle appartient.

IMT Mines Albi représente : 1000 élèves-ingénieurs et chercheurs en formation, 310 personnels, un budget consolidé de 32 M€, 3 centres de formation et de recherche : Institut Clément Ader Albi (ICA-A), RAPSODEE et Centre Génie industriel.

Site Internet d’IMT Mines Albi : https://www.imt-mines-albi.fr/

Le Centre Institut Clément Ader Albi (ICA-A) est un centre de formation et de recherche d’IMT Mines Albi. Il rassemble 70 personnes dont 20 enseignants-chercheurs.

Au titre de la formation, il est un acteur au sein d’IMT Mines Albi de la formation ingénieur généraliste (statut étudiant ou apprenti) et porte l’option « Matériaux et procédés avancés pour les transports de demain ».

Au titre de la recherche, il est partie intégrante de l’Institut Clément Ader (ICA – UMR CNRS 5312), laboratoire rassemblant 250 personnes avec des thématiques scientifiques axées sur l’ingénierie dans la mécanique des matériaux dans le domaine de l’aéronautique. Ses cinq établissements de tutelle sont l’INSA de Toulouse, l’ISAE-SUPAERO, l’Université Paul Sabatier, IMT Mines Albi et le CNRS.
Site Internet de l’ICA : https://ica.cnrs.fr/

ICA traite des études sur les structures, les systèmes et les processus mécaniques. Les secteurs d’activité sont dans les industries mécaniques avec un accent particulier sur l’aérospatiale, l’espace, le transport et l’énergie.

Le centre Institut Clément Ader Albi ICA-A contribue aux quatre groupes de recherche de l’ICA :

·      Matériaux et Structures Composites

·      Surfaces, Usinage, Matériaux, Outillages

·      Métrologie, Identification, Contrôle, Surveillance

·      Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques

Le champ d’actions d’ICA-A est d’optimiser les outillages ou les procédés de mise en forme des matériaux (métaux, composites, polymères, verres…) ainsi que d’étudier les relations entre microstructure, procédé et comportement, en particulier pour les secteurs de l’aéronautique et du spatial. Ses activités sont fortement expérimentales mais également numériques. ICA-A possède sa propre plateforme de recherche sur le campus d’IMT Mines Albi, la plateforme MIMAUSA. ICA-A est une Zone à Régime Restrictif (ZRR) depuis 2021.

Titre : « Vers un jumeau numérique du procédé de fabrication additive indirecte de type dépôt de fil fondu pour l’élaboration de céramiques (FAI-CERATWIN)».

Résumé : Cette offre de thèse s’inscrit dans le cadre du projet FAI-CERATWIN du programme RéCLasSIF (https://solutionsindustriedufutur.org/le-projet-reclassif-un-levier-majeur-pour-la-modernisation-industrielle/).

L’objectif est de développer une modélisation, une instrumentation et une méthode de simulation numérique du procédé de Fabrication Additive Indirecte par dépôt de Fil Fondu (FFF) pour l’élaboration de pièces céramiques crues. Cette modélisation se doit d’être multiphysique pour permettre de reproduire les phénomènes couplés, notamment mécaniques et thermiques, et complexes qui interviennent lors de la fabrication d’une pièce à partir d’un filament qui est un mélange de grains de céramiques et de liants polymériques [1]. Cette modélisation est associée à une instrumentation in situ et ex-situ du procédé à partir de méthodes de mesure avec et sans contact de caractéristiques thermiques, cinématiques et dimensionnelles [2]. Ces deux briques, modélisation et instrumentation, ont notamment comme objectif de permettre le développement d’un jumeau numérique du procédé [3]. Le projet est structuré en trois étapes principales :

1- la caractérisation et la modélisation multiphysique du procédé FFF,

2- l’instrumentation avancée pour des mesures quantitatives, 3- le développement d’un « framework » pour fusionner la modélisation physique en continu et les données remontées par l’instrumentation. Ce travail constituera une première incursion dans le paradigme du jumeau numérique pour la surveillance en temps réel du procédé de fabrication additive de céramiques par le procédé FFF, grâce à l'intégration de la

modélisation basées sur les phénomènes physiques et de la simulation numérique, des mesures in situ et ex-situ et de l'analyse des données, en visant éventuellement un recours à l’IA.

Mots clés : Fabrication additive, céramiques, modélisation multiphysique, instrumentation, jumeau

numérique.

Contexte : Dans le cadre du programme projet RéCLasSIF qui vise à répondre aux enjeux actuels de modernisation et de décarbonation de l’industrie, le projet FAI-CERATWIN adresse les thèmes des jumeaux numériques et de la fabrication additive. Ces deux thèmes sont considérés comme jouant un rôle clé dans l’industrie du futur responsable dans une démarche de contrôle qualité et d’optimisation des quantités de matériau et d’énergie requises. Pour atteindre ces objectifs, le suivi du procédé par un jumeau numérique représente une solution séduisante. Il combine les prédictions issues d'une modélisation/simulation physique avec les données fournies par une instrumentation avancée du procédé.

La modélisation/simulation du procédé reste encore un verrou fort compte tenu des phénomène smultiphysiques complexes mis en jeu. Reproduire une version numérique du procédé par une telle simulation implique d’acquérir de nombreuses données grâce à une instrumentation avancée en continu aussi bien in-situ au procédé pour restituer son état, qu’ex-situ sur la pièce pour contrôler ses caractéristiques finales après impression. Ces deux volets concourent ainsi à optimiser le procédé, garantir ses performances et à maintenir les propriétés des pièces fabriquées.

Cette démarche sera appliquée au procédé additif indirect de type Fused Filament Fabrication (FFF) qui permet l’impression 3D de pièces céramiques à partir d’un filament constitué de grains de céramique associé à des liants polymériques. Deux laboratoires, l’Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER, https://www.ircer.fr/) et l’Institut Clément Ader (ICA, https://ica.cnrs.fr/) spécialisés dans l’étude et le développement de procédés innovants autour des matériaux céramiques, sur la mise en œuvre et la modélisation de procédé de fabrication additive et sur l’instrumentation pour des mesures de champs cinématiques et thermiques en milieux complexes apportent leurs connaissances, compétences, expertises et leur complémentarité pour adresser les objectifs et lever les verrous détaillés ci-dessous.

Objectifs et verrous scientifiques :

Dans une démarche de jumeau numérique, le projet FAI-CERATWIN a pour objectif principal de développer une modélisation multiphysique associée à une instrumentation avancée, pour l’étude de l’écoulement et du dépôt de matière, des transferts thermiques et des retraits aux cours de l’impression avec le procédé de fabrication additive indirecte de type Fused Filament Fabrication (FFF) appliqué aux céramiques.

Un premier verrou scientifique réside dans le développement d’une modélisation/simulation multiphysique qui puisse d’une part rendre compte des phénomènes en jeu dans ce procédé et d’autre part puisse faire l’objet de briques logicielles utilisables dans des démarches de simulations et de pilotage du procédé. Cette modélisation devra intégrer le comportement rhéologique du filament en sortie de buse d’impression, en fonction des paramètres de réglage de la buse. Cette modélisation considérera également la représentation 3D de l’objet et sa fabrication couche par couche. Une attention particulière sera notamment accordée à l’estimation des contraintes internes générées qui peuvent produire des distorsions et une géométrie finale erronée de la pièce imprimée. La modélisation mécanique et thermique du procédé est fondamentale pour la réussite de ce projet et représente un défi scientifique et technologique majeur en raison des conditions

limites variables en température, dans le temps et dans l’espace (3D).

La deuxième difficulté réside dans le développement d’une instrumentation avancée capable de fournir à la fois les données interne du procédé FFF (température, pression, déformation du filament …) au niveau de l’extrusion et les données externes, notamment la distribution spatio-temporelle instantanée de la température (3D thermique) au sein de la pièce en cours de fabrication. La troisième difficulté, qui sera traité en fin de thèse ou en relation avec un post doctorant, sera la mise en place du couplage modélisation/instrumentation géométrique et thermique dans le cadre d’un jumeau numérique pour assurer le contrôle en continu des paramètres du procédé (une température optimale de la buse en fonction du comportement rhéologique du filament, une distance optimale entre l'extrémité de la buse et la couche précédent, une vitesse et une trajectoire de dépôt qui limitent les porosités et assurent une géométrie correcte, etc).

Description du sujet et des objectifs de la thèse :

Le sujet est structuré en trois activités principales.

-1- Caractérisation et modélisation multiphysique du procédé FFF :

• Caractérisation du comportement rhéologique du filament en fonction de la température,

• Caractérisation des propriétés thermocinétiques et thermophysiques du filament (DSC, ATG couplée ATD, IFTR, …),

• Identification des variables multiphysiques et des paramètres de la modélisation :

• Modélisation des transferts thermiques au niveau de la buse et du dépôt,

• Modélisation du comportement rhéologique du filament et de son écoulement,

• Modélisation du processus de solidification du filament déposé pour définir les conditions d’impression 3D (vitesse, trajectoire, ...),

• Simulation avec une analyse de sensibilité aux variables de la modélisation.

-2- Instrumentation avancée pour des mesures quantitatives :

• instrumentation ex-situ de la pièce : mesurer la cartographie thermique et géométrique des différentes couches déposées. Une des difficultés concerne la mesure couplée thermique et géométrique qui de surcroit doit être réalisée à différentes échelles spatiales.

• instrumentation in-situ du procédé : mesurer les grandeurs thermocinétiques qui gouvernent l’écoulement du filament dans et en sortie de la buse. Une des difficultés majeures serait une fonctionnalisation du filament afin de mesurer les caractéristiques intrinsèques du mélange poudre de céramique et liant polymère.

-3- Jumeau numérique : en relation avec un post doctorant : développer un « framework » pour fusionner la modélisation physique en continu et les données remontées par l’instrumentation afin de déterminer le comportement en écoulement du filament en sortie de buse et lors du dépôt, le comportement thermique du filament, les distorsions de la pièce imprimée, les contraintes résiduelles et également de prédire la distribution spatio-temporelle instantanée de la température dans une pièce à l'aide d'un modèle de transfert thermique.

Ce travail constituera donc une première incursion dans le paradigme du jumeau numérique pour la surveillance en temps réel du processus de fabrication additive de céramiques par le procédé FFF grâce à l'intégration de la modélisation et de la simulation numérique basées sur la physique, des mesures in situ et ex-situ et de l'analyse des données, en visant éventuellement un recours à l’IA.

Profil et compétences souhaitées : Master M2 en mécanique ou en mise en forme des matériaux ou en mécanique des matériaux, avec un parcours en modélisation et simulation en mécanique ou un parcours en instrumentation. Goût pour la simulation numérique et pour l’expérimentation. Des connaissances et compétences en mise en œuvre et en modélisation du procédé de fabrication additive par fusion de filament seraient un plus.

Modalités :

• durée de la thèse : 36 mois,

• lieux de la thèse : ICA (site d’IMT Mines Albi, Albi) et séjours à l’IRCER (Limoges).

Candidatures : CV + lettre de motivation par maitacts :

• Thierry Cutard : e-mail : thierry.cutard@mines-albi.fr, tél. : 05 63 49 31 61

• Gilles Dusserre : e-mail : gilles.dusserre@mines-albi.fr, tél : 05 63 49 33 09

• Vincent Pateloup : e-mail : vincent.pateloup@unilim.fr., tél. : 05 87 50 24 40

• Thierry Sentenac : e-mail : thierry.sentenac@mines-albi.fr, tél. : 05 63 49 30 61