Contribution à la mise en oeuvre de biocomposites biosourcés à fibres de lin pour la fabrication additive : de la formulation à l’optimisation des performances mécaniques

Contexte et enjeux scientifiques
La fabrication additive ouvre de nouvelles perspectives pour concevoir des pièces complexes, alléger les structures et adapter localement les propriétés des matériaux. Son association avec des matrices biosourcées et des renforts en fibres végétales, notamment les fibres de lin, constitue une voie prometteuse pour réduire l’empreinte environnementale des produits tout en maintenant un niveau de performance compatible avec des applications mécaniques.
Malgré ce potentiel, le développement de biocomposites réellement adaptés à l’impression 3D reste confronté à plusieurs verrous. L’incorporation de fibres modifie fortement la rhéologie, l’extrudabilité et la stabilité des filaments. Les étapes successives de mélangeage, d’extrusion et de dépôt peuvent également affecter la longueur et l’orientation des fibres, l’adhésion fibre–matrice, la porosité ainsi que l’adhésion inter-couches. Ces évolutions microstructurales gouvernent directement la qualité d’impression, l’anisotropie et les performances mécaniques des pièces obtenues.
La thèse cherchera ainsi à établir une démarche intégrée, depuis la formulation du matériau jusqu’à la fabrication et à la validation de composants, afin de mieux comprendre et maîtriser les relations entre formulation, paramètres de mise en oeuvre, structure développée et propriétés finales.
Objectif général
L’objectif est de développer, caractériser et optimiser des biocomposites biosourcés renforcés par des fibres de lin pour la fabrication additive, puis de proposer des outils expérimentaux et numériques permettant de prédire leur aptitude à la mise en oeuvre et leur comportement mécanique.
Axes de recherche proposés
• Formulation et élaboration des matériaux : sélectionner les constituants, définir les taux et caractéristiques de renfort, optimiser le mélangeage et l’extrusion, puis élaborer des filaments biocomposites présentant une régularité dimensionnelle et une stabilité suffisantes pour l’impression 3D.
• Caractérisation rhéologique et aptitude à l’impression : analyser l’écoulement des formulations et des filaments, identifier les fenêtres de transformation et relier les paramètres rhéologiques aux conditions d’extrusion et de dépôt.
• Analyse des relations procédé–structure–propriétés : étudier l’effet des paramètres de fabrication sur la morphologie, la porosité, l’orientation et l’intégrité des fibres, l’adhésion interfaciale et inter-couches, ainsi que sur les propriétés mécaniques, notamment en traction.
• Optimisation et démonstration : définir des paramètres de formulation et d’impression robustes, étudier la faisabilité de composants mécaniques en biocomposites et valider les solutions retenues sur une ou plusieurs géométries représentatives.

• Modélisation : développer des modèles numériques capables, selon l’avancement des travaux, de simuler certaines étapes du procédé et/ou de prédire le comportement mécanique anisotrope des composites imprimés, en tenant compte des caractéristiques microstructurales induites par la fabrication.

Fondé en 2008, le CIMAP est un laboratoire de recherche axé sur deux thèmes principaux : la matière excitée et les défauts, d’une part et les matériaux et l’optique, d’autre part. Le large éventail de disciplines présentes au CIMAP provient de sa longue tradition de structuration de la recherche en Physique à l’échelle de la Basse-Normandie mais aussi à l’échelle nationale. Le CIMAP associe le CNRS, le CEA (IRAMIS), l'ENSICAEN et l'Université de Caen Normandie. Ses travaux pluridisciplinaires se concentrent sur l'interaction ion-matière, l'optique et les défauts dans les matériaux. 

Le (la) candidat(e) doit être en possession d’un Master II recherche (ou être inscrit en Master II recherche au cours de l’année 2025-2026) en Mécanique ou en Science des matériaux et être intéressé(e) par l’expérimentation et la simulation. Les ingénieurs et étudiants en école d'ingénieurs peuvent bénéficier d’une dispense de Master II