Thèse Fabrication Additive de Structures Creuses en Verre par Jet de Liant sur Lit de Poudre Modélisation Numérique Calibration des Paramètres Procédé et Montée en Échelle H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Picardie - Jules Verne
École doctorale : Sciences, Technologie, Santé
Laboratoire de recherche : LTI - Laboratoire des Technologies Innovantes
Direction de la thèse : Stéphane PANIER ORCID 0000000170297653
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Cette thèse vise à tirer profit des avancées technologiques en matière de fabrication additive (FA) pour la mise en forme de pièces en verre creux. Il s'agit plus précisément du procédé de FA par jet de liant sur lit de poudre, communément appelé Binder Jetting. À la différence des procédés conventionnels de soufflage, basés sur la mise en forme du verre à l'état fondu et contraints par l'usage de moules, le jet de liant permet une approche de mise en forme à l'état solide, offrant une plus grande liberté géométrique et une plus large capacité de prototypage. L'étude portera sur des poudres de verres sodo-calciques, largement utilisées pour le flaconnage en parfumerie, ainsi que sur des verres borosilicatés, privilégiés pour leurs propriétés de résistance chimique et thermique dans des applications pharmaceutiques. L'enjeu scientifique principal réside dans la compréhension et la maîtrise des relations entre les propriétés des poudres de verre, les conditions de déposition du lit de poudre, les paramètres d'impression et les caractéristiques finales des pièces après déliantage et frittage. En effet, l'influence du dépôt de lit de poudre sur la compacité locale, la cohésion des pièces vertes et la résolution géométrique sera étudiée par une approche combinant simulation numérique et caractérisation expérimentale. Les pièces imprimées seront analysées à différentes étapes du procédé (état vert, après déliantage et après frittage) au moyen de techniques d'analyse multi-échelles (observations microstructurales, mesures de densification/retrait, propriétés mécaniques, ...). La mise au point du protocole d'impression se fera à l'aide d'une imprimante ouverte pour contrôler les paramètres d'impression en fonction de la granulométrie de la poudre et du type de liant. Cette phase de calibration permettra de mettre en évidence le lien entre procédé, structure et propriétés afin de faciliter la montée en échelle visant des applications industrielles du verre creux à haute valeur ajoutée.

Le verre est défini comme un solide amorphe caractérisé par un phénomène de transition vitreuse. Dans une plage de températures comprises entre la température de transition vitreuse Tg et la température de fusion Tf, le verre adopte un comportement viscoplastique avec une viscosité diminuant à mesure que la température augmente. Ce comportement est le coeur de la technologie verrière classique. Celle-ci repose sur le façonnage du matériau par écoulement plastique à une température définie par la viscosité, adaptée en fonction de la technique de mise en forme utilisée. Cette étape est suivie d'un refroidissement contrôlé permettant l'élimination des tensions internes et garantissant les propriétés mécaniques et optiques du produit final. Ce procédé se prête particulièrement bien à la production en série d'objets transparents à géométrie simple (verre plat et creux), y compris de grandes dimensions. De ce fait, la production de verre est un secteur important, ayant un impact économique significatif [1].

La fabrication conventionnelle du verre creux est héritée du travail ancestral du souffleur de verre. Les étapes de la mise en forme comportent le cueillage d'une goutte de verre, la formation par soufflage d'une préforme, et son gonflage dans un moule à la forme de l'article désiré. Le passage à l'échelle industrielle a en définitive consisté surtout en la mécanisation du procédé de façon à augmenter la productivité et la reproductibilité des fabrications. Néanmoins, le soufflage traditionnel dans des moules en bois est toujours pratiqué pour des produits de très haut de gamme, en petite série ou encore, pour le développement de prototypes assurant une qualité de surface exceptionnelle et une certaine versatilité de design. Cependant, l'offre artisanale du soufflage devient de moins en moins présente en Europe de l'ouest. La très grande majorité de la production de verre creux utilise des formulations de verres sodo-calciques, pour leur plus grande aptitude à la mise en forme. En effet, l'évolution progressive de la viscosité avec la température de ce type de verre facilite le formage par soufflage. Toutefois d'autres déclinaisons de verres dits « spéciaux », présentant des résistances chimiques renforcées, sont préférables pour certaines applications du verre creux. C'est le cas par exemple des verres de la famille des borosilicates destinés notamment au flaconnage pharmaceutique.

Ce projet de thèse s'intéresse en premier lieu à l'apport de la fabrication additive (FA) dans la production de verre creux en utilisant des procédés de fabrication additive innovants. Il s'agit précisément d'imprimer des pièces prototypes par la technique de jet de liant sur lit de poudre de verre (Binder Jetting (BJ) en anglais). L'intégration de la fabrication additive (FA) dans l'industrie verrière est actuellement quasi inexistante. Pourtant, la fabrication additive pourrait considérablement élargir la gamme de produits réalisables, aussi bien pour les verres traditionnels que techniques [2]. La fabrication additive possède de véritables atouts pour concevoir des dispositifs avec des géométries complexes [3]. De plus, dans le cas de petites séries, la fabrication additive permet de réduire les coûts et le temps de production par rapport aux méthodes traditionnelles nécessitant des moules très coûteux [4]. En résumé, contrairement aux procédés conventionnels de soufflage, le jet de liant sur lit de poudre permet une mise en forme à l'état solide (poudre de verre), ouvrant l'accès à des architectures creuses complexes, pour la réalisation de prototypes ou de produits personnalisés et sans recours à des moules dédiés.

Le procédé de fabrication additive abordé dans ce projet de thèse s'inscrit parfaitement dans l'une des thématiques de recherche phares du LTI (UPJV UR 3899). Depuis près de dix ans, l'équipe Mécanique et Ingénierie des Matériaux (MIM) du LTI a développé un savoir-faire et une expertise reconnue en matière de conception et de réalisation de machine d'impression 3D. En effet, l'équipe MIM fabrique à l'échelle laboratoire ses propres imprimantes 3D. Ces machines « customisées » ont été développées dans le cadre de plusieurs applications (stockage d'énergie, inserts de moules, catalyse, ...) en utilisant des techniques d'impression adaptées à l'application ciblée (ex. FDM, binder jetting). Ce travail de R&D a donné lieu à plusieurs thèses de doctorat [5-7] et articles publiés dans des revues d'audience internationale [8-11].

L'objectif principal de la thèse est d'étudier la possibilité de produire, par fabrication additive, des objets en verre transparents ou à porosité contrôlée, présentant des propriétés mécaniques comparables aux verres produits de manière conventionnelle. Pour se conformer aux exigences des applications dans le domaine des verres creux, la recherche sera réalisée sur des compositions de verres sodo-calciques et borosilicates. Pour permettre la production d'objets de géométries complexes aux tolérances serrées, l'impression 3D par jet de liant sur lit de poudre de verre sera utilisée. Il s'agit d'une méthode indirecte, basée sur le frittage de pièce crue constituée d'une poudre agglomérée (voir état de l'art). Cette thèse devra relever plusieurs défis scientifiques et technologiques liés à :

1.La mise en forme de la pièce crue ;
2.La consolidation et la densification de cette pièce lors du traitement thermique de frittage afin d'atteindre la transparence ou de contrôler la porosité ;
3.La maitrise de la géométrie et des tolérances dimensionnelles des pièces produites.

Pour atteindre les objectifs fixés, le plan de la thèse sera mis en oeuvre au travers de plusieurs tâches complémentaires couvrant la veille scientifique, les caractérisations (poudres, microstructure, propriétés mécaniques), les simulations numériques, la calibration des paramètres d'impression et les actions de valorisation. L'organisation de ces travaux tiendra compte à la fois du cadre de la cotutelle UPJV-UMONS et des contributions spécifiques du BCRC et de l'entreprise Le Pochet du Courval, afin d'assurer une continuité entre recherche académique, montée en échelle technologique et perspectives industrielles. Le tableau ci-dessous synthétise les grandes lignes des différentes tâches du projet de thèse