Thèse Fabrication Additive par Extrusion de Granulés Geam de Composites Hybrides Pa6.10 - Fibres de Verre - Fibres Naturelles pour Micro-Turbines Hydrauliques Optimisation Procédé Comportement Hyd 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 : 2026-05-30T23:59:59 Cette thèse en cotutelle UPJV /Université Libanaise vise à développer des composites hybrides à matrice polyamide 6.10 biosourcé (PA6.10) renforcés par hybridation de fibres de verre et de fibres naturelles (lin, chanvre), mis en forme par fabrication additive par extrusion de granulés (GEAM) pour des applications structurales en micro-turbines hydrauliques. Le programme associe : (1) l'optimisation des paramètres GEAM sur des pièces de grande dimension, (2) la caractérisation multi-physique des matériaux imprimés (mécanique, thermique, microstructure), (3) l'étude du comportement hydrothermique en conditions hydrauliques immergées, et (4) une étude de recyclabilité multi-cycles (broyage, re-extrusion, réimpression) dans une logique d'économie circulaire, complétée par une analyse du cycle de vie (ACV). La cotutelle valorise la complémentarité entre les équipements GEAM grande pièce du LTI-UPJV, l'expertise libanaise en matériaux, et le contexte applicatif au Liban (énergie hydraulique décentralisée). Les micro-turbines hydrauliques intégrées aux réseaux de distribution d'eau représentent une solution prometteuse pour la production d'énergie décentralisée, avec un intérêt stratégique particulier pour le Liban, confronté à des coupures d'électricité chroniques. Les composants structuraux de ces turbines (pales, boîtiers) sont soumis à des conditions exigeantes : immersion permanente, sollicitations mécaniques cycliques, gradients de pression et de température. Les composites à matrice polymère constituent une alternative compétitive aux alliages métalliques. Parmi les matrices disponibles, le polyamide 6.10 (PA6.10) se distingue par son caractère biosourcé à 63 % (issu de l'huile de ricin), thermoplastique et donc recyclable, et ses propriétés mécaniques remarquables (module ~3-4 GPa, bonne résistance en fatigue). L'hybridation de fibres de verre et de fibres naturelles (lin, chanvre) permet de combiner performances mécaniques et durabilité environnementale. La fabrication additive par extrusion de granulés (GEAM - Granular Extrusion Additive Manufacturing) traite directement des granulés thermoplastiques via une vis d'extrusion, permettant des pièces de grande dimension compatibles avec le recyclage. Le LTI-UPJV dispose d'une expertise reconnue dans ce procédé pour des structures hydrauliques.

Verrous scientifiques : (i) le comportement rhéologique des granulés PA6.10 hybrides en GEAM grande pièce et son influence sur la microstructure, la porosité inter-cordons et l'anisotropie mécanique sont non documentés - les études publiées se limitent à des matrices PP ou PLA sur de petites pièces ; (ii) la durabilité hydrothermique spécifique de ces composites hybrides GEAM (architecture en cordons générant des interfaces multiples potentiellement fragilisantes en milieu humide) n'a jamais été étudiée ; (iii) la recyclabilité multi-cycles du PA6.10 hybride imprimé et ses mécanismes spécifiques de dégradation (rupture de chaînes, raccourcissement des fibres) ne sont pas caractérisés. L'objectif général est de développer et d'optimiser des composites hybrides PA6.10 / fibres de verre / fibres naturelles pour la fabrication GEAM de grandes pièces structurales de micro-turbines hydrauliques, en visant un compromis optimal entre performances mécaniques, durabilité hydraulique et recyclabilité en économie circulaire.

Quatre questions structurantes guident le projet :
(i) Comment optimiser les paramètres GEAM pour minimiser la porosité inter-cordons et maximiser l'adhésion entre couches ?
(ii) Quel est l'effet du taux d'hybridation verre / naturel sur les propriétés des composites imprimés ?
(iii) Comment ces composites se comportent-ils en service hydraulique (absorption d'eau, vieillissement couplé, fatigue en milieu humide) ?
(iv) Quelle est leur recyclabilité effective et quel est leur bilan environnemental global par rapport aux solutions conventionnelles ? La démarche est structurée en cinq axes complémentaires conduits en parallèle sur 36 mois, valorisant la complémentarité entre le LTI-UPJV (fabrication GEAM grande pièce, caractérisation) et l'Université Libanaise (expertise matériaux composites, contexte applicatif hydraulique).

Axe 1 - Optimisation du procédé GEAM grande pièce : caractérisation rhéologique complète des granulés PA6.10 hybrides (rhéométrie capillaire), puis plan d'expériences (DOE Box-Behnken) sur les paramètres GEAM : température de buse (190-230°C), débit d'extrusion, épaisseur de couche (1-3 mm), stratégie de dépôt. Attention particulière au retrait thermique, au warping et à la reproductibilité dimensionnelle pour les grandes pièces.

Axe 2 - Formulation et caractérisation multi-physique : variation du taux d'hybridation fibres de verre / fibres naturelles (0/100 à 100/0 en fraction massique) et évaluation de traitements de surface (NaOH, silane). Caractérisation mécanique (traction, flexion, fatigue R=0,1, DIC, émission acoustique), viscoélastique (DMA), thermique (DSC, TGA) et microstructurale (MEB, µCT, FTIR).

Axe 3 - Comportement en environnement hydrothermique : absorption d'eau en immersion à 23°C, 40°C et 60°C, modélisation des cinétiques (Fick, Langmuir), quantification des propriétés mécaniques résiduelles. Identification des mécanismes d'endommagement spécifiques (décohésion interfaciale, gonflement différentiel des fibres hybrides, délaminage inter-cordons) par MEB et µCT. Vieillissement accéléré couplé (eau + température + fatigue).

Axe 4 - Recyclabilité multi-cycles et ACV : protocole R0 à R6 (broyage, re-extrusion à 230°C, réimpression GEAM) avec caractérisation complète à chaque cycle (mécanique, microstructure, DSC/FTIR). Critère de dégradation : chute > 20 % de la résistance par rapport à R0. Analyse du cycle de vie comparative (ISO 14040/14044) pour quatre scénarios matériaux.

Axe 5 - Modélisation et validation applicative : modélisation multi-échelle (micromésomacro) par éléments finis et modèles micromécaniques (Halpin-Tsai, Mori-Tanaka). Fabrication de démonstrateurs de pales de micro-turbines sur les équipements GEAM grande pièce du LTI-UPJV, soumis à des essais en conditions représentatives.

Etudiant(e) avec un master en mécanique ou sciences des matériaux. Des connaissances en fabrication additive serait un plus.