Prediction of the polymerization and mechanical properties of ceramic parts produced by stereolithography – Process optimization

Ces travaux de thèse portent sur la maîtrise des caractéristiques dimensionnelles et mécaniques de pièces céramiques obtenues par stéréolithographie. L’objectif est d’être capable de prédire ces caractéristiques afin d’obtenir des pièces conformes dès la première fabrication. La stratégie a été de développer un modèle de simulation numérique capable de prédire l’exposition, la profondeur et la demi-largeur de polymérisation, ainsi que le module d’Young des pièces crues obtenues en fonction des paramètres du procédé. Ce modèle numérique intègre le phénomène de diffusion et est calibré pour chaque système à l’aide d’essais expérimentaux. Afin de pouvoir accéder aux propriétés élastiques effectives des pièces crues, un modèle de simulation par calculs éléments finis couplé à la technique d’homogénéisation a été développé. Ce modèle a été validé en comparant les résultats obtenus par simulation et les valeurs de module d’Young déterminées expérimentalement. Le caractère isotrope des propriétés élastiques dans le plan perpendiculaire à la direction de construction des pièces a ainsi été démontré. Sur la base des données fournies par les modèles numériques, une approche d’optimisation du procédé a été mise en oeuvre pour l’obtention de pièces crues conformes. Ainsi, des expositions élevées sont à privilégier pour assurer la faisabilité de la fabrication, des expositions faibles pour assurer la haute qualité dimensionnelle des pièces et des expositions intermédiaires pour assurer une grande productivité. Les pièces denses ont ensuite été considérées. Les propriétés élastiques et la contrainte à la rupture ont été déterminées avec des mesures ultrasonores et des essais de flexion bi-axiale. Une tendance similaire entre l’exposition maximale globale et les propriétés mécaniques a été mise en évidence, i.e. plus l’exposition maximale globale est élevée, plus les valeurs de module d’Young et de contrainte à la rupture sont élevées. Le travail d’optimisation pour l’obtention de pièces frittées en alumine montre que les expositions élevées sont à privilégier pour assurer de bonnes propriétés mécaniques.This thesis work focuses on the control of the dimensional and mechanical characteristics of ceramic parts produced by stereolithography. The goal is to be able to predict these characteristics using a numerical model in order to manufacture parts in accordance with specifications, from the first production. The strategy was to develop a numerical simulation model capable of predicting exposure, cure depth and half width of polymerization, as well as Young's modulus of the green parts obtained, according to process parameters. This numerical model integrates the diffusion phenomenon and is calibrated for each system using experimental tests. In order to access the effective elastic properties of the green parts, a finite element simulation model, coupled with the homogenization technique, has been developed. This model was validated by comparing the results obtained by simulation and the experimentally determined Young's modulus values. The isotropic nature of the elastic properties in the plane perpendicular to the direction of construction of the pieces has thus been demonstrated. On the basis of data provided by the numerical models, an optimization approach has been performed to obtain compliant green parts. Thus, high exposures are preferred to ensure feasibility of manufacturing, low exposures to ensure high dimensional quality of parts and intermediate exposures to ensure high productivity. The elastic properties and the tensile stress of dense parts were determined by ultrasonic measurements and biaxial flexion tests. A similar trend between the overall maximum exposure and mechanical properties has been demonstrated, i.e. higher overall maximum exposure leads to higher Young's modulus and tensile strength values. The optimization work on sintered alumina parts showed that high exposures are preferred to ensure good mechanical properties