Développement de composants métalliques par Digital Light Processing (DLP) - Application au cuivre pour le domaine de l'énergie - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Development of metallic components by Digital Light Processing (DLP)-Copper for energy application

Développement de composants métalliques par Digital Light Processing (DLP) - Application au cuivre pour le domaine de l'énergie

Résumé

Due to its good thermal conductivity (394 W/mK) and electrical conductivity (58 MS/m), copper is a metal of interest in the field of energy and telecommunications. The fabrication of more efficient components requires the shaping of architected and precise structures. In this context, 3D printing seems adequate to overcome these technical issues. Among the possible approaches, Digital Light Processing (DLP), which is close to stereolithography (SLA) allows to build objects including complex structures with a very high resolution while limiting material loss in comparison to subtractive manufacturing. However, the implementation of this technique for metal forming is scarcely described in the literature and leaves a wide field of research to explore. In this thesis, work on the understanding of phenomena such as interactions between incident radiation, metal particles and photosensitive resin, the impact of the formulation components on the printability and the effect of thermal treatments on the final properties has been carried out. Simulations based on the scattering of light by particles (Mie theory) were used to select three copper powders with different particle diameters. By coupling theoretical data with experiments in UV-Visible spectroscopy, a plausible light extinction mechanism was suggested. It appears that the particle diameter and surface oxidation have a significant impact on the UV propagation in the resin. After the selection of a photoinitiator (PI) free of elements that are harmful (e.g. phosphorus) for the final properties of copper, the selection of an efficient and compatible rheological agent (RA) has been investigated. Its compatibility with the photoinitiating system was made by measuring the molar absorption coefficient of the RA molecule and compared to the PI value. Furthermore, photopolymerization kinetics of resin concentrated with different RA levels using Real-Time infrared spectroscopy were monitored. Finally, the rheological behavior of formulations containing 50 vol% of copper particles has been assessed. These steps enabled the printing of objects with two different particles sizes, which were finally used to develop specific debinding and sintering conditions (atmosphere, heating rate and temperature dwell) to achieve copper objects with residual carbon content similar to the raw copper powder and with a thermal and an electrical conductivity of 313 W/mK and 37 MS/m respectively.
Le cuivre, du fait de ses bonnes performances de conduction thermique (394 W/mK) et électrique (58 MS/m), est un métal d’intérêt dans le domaine de l’énergie et des télécommunications. La réalisation de composants plus performants nécessite la mise en forme de structures de plus en plus architecturées et précises. Dans ce contexte, l’impression 3D apparaît pertinente pour lever ces verrous techniques. Parmi les approches possibles, celle reposant sur le Digital Light Processing (DLP), proche de la stéréolithographie (SLA), permet l’obtention d’objets aux structures complexes avec une très grande résolution tout en limitant la perte de matière en comparaison à la fabrication soustractive. Actuellement, les études portant sur la mise en forme de métaux avec ce type de procédé restent marginales, ce qui laisse un large champ de recherche à explorer. Dans ce mémoire, des travaux portant sur la compréhension de phénomènes tels que l’interaction entre le rayonnement incident, les particules métalliques et la résine photosensible, l’impact des composants de la formulation sur l’imprimabilité et l’effet des traitements thermiques de déliantage et de frittage sur les conductivités électrique et thermique finales ont été conduits. Des simulations basées sur le modèle de la diffusion de la lumière par des particules sphériques (théorie de Mie) ont permis, dans un premier temps, d’orienter le choix vers trois poudres de cuivre de différente granulométrie. Ces simulations ont ensuite pu être confrontées à des mesures expérimentales afin de proposer un mécanisme de propagation lumineuse dans la formulation. Il en ressort que le diamètre des particules et l’état d’oxydation de surface ont un impact significatif sur la pénétration UV dans la résine. Après l’identification d’un photoamorceur ne contenant pas d’éléments pouvant altérer les propriétés finales du cuivre, comme le phosphore, la sélection d’un agent rhéologique (AR) performant et compatible a été évaluée. La caractérisation de sa compatibilité photochimique s’est faite en mesurant le coefficient d’absorption molaire de ce composant ainsi qu’en caractérisant les cinétiques de photopolymérisation par spectrophotométrie infrarouge en temps résolu pour des résines de concentration en AR différentes. Quant à l’évaluation de la performance de ce dernier, elle a été réalisée par rhéologie sur des formulations chargées à 50 %vol en poudre de cuivre. Ces étapes ont rendu possible l’impression d’objets par DLP en utilisant deux poudres de granulométrie différente. Les échantillons ainsi obtenus ont alors permis de définir des cycles thermiques permettant d’atteindre des taux de carbone et d’oxygène résiduel équivalents à celle de la poudre de départ et d’atteindre des conductivités thermique et électrique de 313 W/mK et 37 MS/m respectivement.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04659808 , version 1 (23-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04659808 , version 1

Citer

Adrien Resch. Développement de composants métalliques par Digital Light Processing (DLP) - Application au cuivre pour le domaine de l'énergie. Chemo-informatique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. Français. ⟨NNT : 2024GRALI010⟩. ⟨tel-04659808⟩
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