Thèse Métamatériaux Légers et Résistants à Architectures Innovantes Fabriqués par Fabrication Additive pour Environnements Contraints H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé Direction de la thèse : Daniel BONAMY ORCID 0000000278364395 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-17T23:59:59 Les contraintes environnementales, la hausse des coûts des matières premières et la nécessité de réduire l'empreinte carbone incitent à concevoir des matériaux plus poreux, alliant légèreté et tenue mécanique. Ces matériaux répondent aux besoins de secteurs stratégiques tels que l'aéronautique, le spatial, les transports, l'énergie et les instruments de physique de haute performance.
Les métamatériaux mécaniques, constitués de structures en microtreillis obtenues par impression 3D métal, offrent un potentiel unique pour relever ces défis. En modulant la topologie de leurs réseaux internes, il devient possible d'atteindre des rapports rigidité/densité supérieurs à ceux des matériaux de structure conventionnels et d'adapter leur architecture pour viser des propriétés mécaniques ou fonctionnelles spécifiques.
Cette thèse s'inscrit dans cette dynamique d'innovation. Elle vise à développer des métamatériaux métalliques ultralégers dont l'architecture est optimisée pour maximiser les performances mécaniques tout en conservant une isotropie assurant un comportement prévisible grâce aux outils classiques d'ingénierie, notamment le calcul par éléments finis, la simulation numérique et les approches multiéchelles. Deux alliages métalliques de référence seront ciblés : inox 316 comme archétype de matériau ductile, rigide et dense, et alliage de titane TA6B comme archétype de matériau léger, moins rigide mais à haute limite élastique.
L'approche s'appuie sur une expertise reconnue au sein du CEA, en particulier à l'IRAMIS et à l'IRFU/DIS, dans la conception de métastructures aléatoires isotropes et leur mise en forme par fabrication additive métallique. Une collaboration scientifique avec le Nanyang Technological University (NTU, Singapour) est également en train d'être mise en place autour de ce projet doctoral.
En combinant mécanique numérique, conception avancée, fabrication additive multiprocédés et caractérisations in situ, cette thèse vise à repousser les limites actuelles de la conception et de la fabrication de structures métalliques complexes. Les contraintes environnementales, la hausse des coûts des matières premières et la nécessité de réduire l'empreinte carbone incitent à concevoir des matériaux de structure plus poreux, alliant légèreté et tenue mécanique. Ces matériaux répondent aux besoins de secteurs stratégiques tels que l'aéronautique, le spatial, les transports, l'énergie et les instruments de physique de haute performance.
Les métamatériaux mécaniques, constitués de structures en microtreillis d'architecture périodique obtenues par impression 3D métal, offrent un potentiel unique pour relever ces défis.L'anisotropie mécanique inhérente à ces structures périodiques et la sensibilité aux défauts de fabrication (porosité, déviations géométriques...) restreignent, en revanche, leur déploiement actuelle. - Concevoir des métamatériaux métalliques complexes (architecture périodique ou aléatoire) dont l'architecture est optimisée en fonction de contraintes mécaniques ciblées.
- Évaluer plusieurs procédés de fabrication additive métallique (MBJ, MEX, EB-PBF, L-PBF) afin de maîtriser la porosité, la connectivité interne et les propriétés mécaniques.
- Mettre en oeuvre des simulations par éléments finis pour prédire le comportement mécanique et orienter les choix de conception.
- Caractériser les métamatériaux via des techniques avancées (MEB, microtomographie X, essais
thermomécaniques et compression).
- Explorer des traitements de surface innovants (pack-cémentation, DLI-MOCVD) pour améliorer la résistance à la corrosion et à l'usure.
- Mettre en place une approche material-by-design intégrant les outils de la mécanique numérique. L'approche est essentiellement expérimentale. Le doctorant bénéficiera d'un accès à des plateformes expérimentales de pointe :
* La plateforme Hexapode du PEPR DIADEM (CNRS 3SR Grenoble) pour des essais in situ multiaxiaux permettant d'observer la déformation en temps réel.
* Des microtomographes à rayons X (sources synchrotron ou laboratoire) pour une visualisation 3D détaillée de l'évolution des mésostructures sous chargement.
Ces outils permettront d'établir un lien direct entre architecture, microstructure et propriétés mécaniques, et de valider les modèles numériques.