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Développement et optimisation de la méthode LASAT pour la mesure de l'adhérence par choc laser de dépôts biocompatibles

Développement et optimisation de la méthode LASAT pour la mesure de l'adhérence par choc laser de dépôts biocompatibles

Proposition de thèse

SpécialitéSciences et génie des matériaux
Ecole doctoraleSMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur
Directeur de thèseGUIPONT Vincent
Unité de rechercheCentre des Matériaux
ContactVincent GUIPONT
Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Recrutements/Theses/
Mots-clésTest d'adhérence, revêtement biocompatible, matériaux poreux, LASAT, choc laser, projection plasma
RésuméDu fait de ses caractéristiques originales (méthode sans contact et locale, répétabilité et reproductibilité avérées des tirs lasers sur dépôts projetés), LASAT (LAser Shock Adhesion Test) représente une alternative prometteuse pour soutenir les fabricants de prothèses biomédicales dans leurs développements procédés/produits puis la mise sur le marché. Une méthode LASAT doit être développée sur des dépôts biocompatibles pour répondre au mieux à la problématique liée à la mise en œuvre d'un essai d'adhérence rapide et robuste dont on envisage à terme la normalisation. L'étude approfondie des dépôts biocompatibles soumis à la décohésion au choc laser doit permettre l'optimisation de protocoles d'essais et la caractérisation des phénomènes impactant la tenue mécanique des interfaces en relation avec la maîtrise des procédés industriels de fabrication. L'étude de la faisabilité de la technique sur différents biomatériaux industriels, le choix d'un protocole d'essai complet et transférable seront étayés par la réalisation d'évaluations croisées par diverses méthodes de mesure ou de calculs de la tenue mécanique interfaciale. L'étude de la robustesse (répétabilité et reproductibilité) et de la fiabilité du LASAT seront les indicateurs principaux de cette étude qui permettraient d'aboutir à l'implantation d'un nouveau démonstrateur.
ContexteLes revêtements biocompatibles d'hydroxyapatite (HAP) et de titane poreux sont déposés en surface des implants orthopédiques principalement par des technologies de projection plasma sous air et sous vide : APS et VPS. Ils permettent d'assurer un ancrage des dispositifs médicaux dans l'os et favorisent leur ostéo-intégration. Une préoccupation majeure dans l'utilisation de ces dépôts concerne leur niveau d'adhérence au substrat afin d'assurer l'intégrité de la prothèse lors de l'intervention chirurgicale puis in vivo. La méthode actuelle et normalisée pour la mesure des efforts de décohésion des dépôts et la qualification d'une production est réalisée par une série d'essais de traction sur un jeu d'éprouvettes sous forme de plots collés. La robustesse de cet essai est largement controversée. La méthode LASAT pour la mesure d'adhérence par choc laser (laser impulsionnel nanoseconde) peut être appliquée sur les dépôts projetés métalliques ou céramiques. Elle est actuellement étudiée par MINES ParisTech qui possède une installation laser conçue comme un démonstrateur pilote pour un usage en laboratoire industriel. L'étude sera conduite essentiellement au sein du Centre des Matériaux de MINES ParisTech pour la réalisation des expériences et les analyses des interfaces, les développements et l'optimisation du LASAT en partenariat avec le CRITT –MDTS (Centre Régional Innovation et Transfert Technologie) qui supporte le financement d'un doctorant sur 3 années (thèse CIFRE) et qui se chargera de l'évaluation comparative avec d'autres techniques de mesure de l'adhérence.
EncadrementVincent GUIPONT Directeur de thèse - Centre des Matériaux MINES ParisTech
Partenaire industriel CRITT –MDTS (Centre Régional Innovation et Transfert Technologie)
Profil candidatIngénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Le travail s'adresse à un expérimentateur sensibilisé autour des matériaux, des procédés et de la mécanique avec une appétence pour la simulation numérique et les mesures physiques.
Des connaissances ou une première expérience dans les domaines suivants sont appréciées : Revêtement et traitements de surfaces, biomatériaux, essais mécaniques et essais d'adhérence, propagation d'onde de choc
Principaux outils utilisés
- Essai d'adhérence par choc laser (LASAT), par scratch test, par plot collés
- Métallographie, microscopie électronique et microanalyse
- Profilométrie 3D , thermographie
- Micro- et nano- dureté
- Simulation numérique (Abaqus explicit) + python

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
- un curriculum vitae détaillé
- une lettre de motivation/projet personnel
- des relevés de notes L3, M1, M2
- 2 lettres de recommandation
- une attestation de niveau d'anglais
Résultat attenduDévelopper un essai d'adhérence robuste sans contact sur des dépôts de biomatériaux.
ObjectifEtude de la tenue mécanique des interfaces céramique/métal et métal/métal dans le cas de dépôts par projection plasma, Etude du comportement de systèmes revêtus sous choc laser (propagation, rupture), Influence de la porosité, de la rugosité et de l'épaisseur, étude de la reproductibilité et de la répétabilité.
Références1. G. Bégué, G. Fabre, V. Guipont, M. Jeandin, P. Bilhe, J.Y. Guédou, and F. Lepoutre, Laser Shock Adhesion Test (LASAT) of EB-PVD TBCs: Towards an Industrial Application, Surface and Coatings Technology, 2013, 237, p 305–312.
2. V. Guipont, M. Jeandin, S. Bansard, K.A. Khor, M. Nivard, L. Berthe, J.-P. Cuq-Lelandais, and M. Boustie, Bond Strength Determination of Hydroxyapatite Coatings on Ti-6Al-4V Substrates Using the LAser Shock Adhesion Test (LASAT), Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2010, 95A(4), p 1096–1104.
3. M. Boustie, E. Auroux, J.P. Romain, and M. Jeandin, Effects of inside Spallation of a Coating on the Debonding of Its Interface with a Substrate Subjected to a Laser Shock, Journal of Physics: Condensed Matter, 2002, 14(44), p 10839–10842.
4. Y. Ichikawa, S. Barradas, F. Borit, V. Guipont, M. Jeandin, M. Nivard, L. Berthe, K. Ogawa, and T. Shoji, Evaluation of Adhesive Strength of Thermal-Sprayed Hydroxyapatite Coatings Using the LAser Shock Adhesion Test (LASAT), Materials transactions, 2007, 48(4), p 793–798.
5. C. Bolis, L. Berthe, M. Boustie, M. Arrigoni, S. Barradas, and M. Jeandin, Physical Approach to Adhesion Testing Using Laser-Driven Shock Waves, Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40(10), p 3155–3163.
6. S. Boileau, V. Guipont, M. Jeandin, M. Nivard, L. Berthe, J. Jerome, M. Boustie, H. Li, and K.A. Khor, “The Laser Shock Adhesion Test (LASAT) for Production Control of Thermally-Sprayed Ceramic Coatings,” ITSC 2005, (Basel, Germany), DVS, 2005, p 6 pp.
7. Y. Ichikawa, K. Ogawa, M. Nivard, L. Berthe, M. Boustie, M. Ducos, S. Barradas, and M. Jeandin, Adhesion Study of Cold-Sprayed CoNiCrAIY-Mo Coating of Inconel 625 Using the LAser Shock Adhesion Test (LASAT), THERMEC 2006, Pts 1-5, T. Chandra, K. Tsuzaki, M. Militzer, and C. Ravindran, Eds., 2007, p 1086–1091
Type financementConvention CIFRE

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