+ 2021 ECHOS – Ecoulement de matériaux hétérogènes dans des buses d’impression optimisées

projet inter laboratoires

Porteur du projet

Thomas Joffre IPC - Centre Technique Industriel de la Plasturgie et des Composites, Oyonnax

thomas.joffre@nullct-ipc.com

Laboratoire(s) membre(s)

durée: 24 mois 
financement: 214 k€

Axe(s) de recherches

La fabrication additive polymère de type « Fused Deposition Modeling » (FDM) permet de fabriquer des prototypes et des pièces techniques en polymères et en composites en petite série, à moindre coût et avec un délai de mise sur le marché très court. Ces technologies constituent des solutions prometteuses en réponse aux problématiques d’allégement des structures, de fonctionnalités accrues des pièces (p. ex. matériaux conducteurs, compatibles avec les normes feu/fumée, dissipateurs électrostatiques), de réduction des assemblages et plus généralement de coûts auxquels sont confrontés les industriels du domaine des transports de biens et de personnes. Cependant, l’industrialisation des technologies FDM passe par une meilleure compréhension du procédé. Il est crucial de mieux comprendre et de modéliser les phénomènes thermomécaniques (fusion, écoulement et refroidissement du polymère) se produisant dans les buses des imprimantes FDM. La modélisation et la simulation de ces phénomènes permettra d’accroître les vitesses d’impression, d’élargir la gamme de matériaux disponibles pour le procédé FDM et d’optimiser la conception des buses et plus généralement des imprimantes.

echos 2021Ce projet vise à caractériser par microtomographie à rayons X les phénomènes thermomécaniques transitoires se produisant dans les buses FDM. Les connaissances acquises lors de ces expériences originales et les outils numériques développés pour reproduire ces expériences et les phénomènes observés permettront d’aboutir à la réalisation de buses optimisées du point de vue de la géométrie et de la thermique (chauffage/refroidissement). Un contrôle thermique et optique en ligne couplé avec une analyse d’image basée sur une approche d’apprentissage supervisé ou semi-supervisé permettra d’identifier et de corriger les défauts d’impression en ajustant les températures dans et hors de la buse.

Description du sujet

Le principe du dépôt FDM, schématisé sur la Figure 1(a), consiste à entraîner un fil calibré de matière plastique ou composite dans une buse chauffante qui va permettre une montée contrôlée en température du fil. Ce dernier est comprimé dans la buse afin de générer un écoulement continu de la matière en fusion. Au contact du support ou de la couche de matière précédente, le fil va se refroidir et se solidifier. La réalisation des pièces de géométrie plus ou moins complexe est gérée par le déplacement horizontal de la tête et du support.

De nombreuses technologies de buse existent sur le marché. Celles-ci sont munies d’un corps muni d’un système de refroidissement et d’une tête munie d’un convergent et d’un patin chauffés. Ce patin est maintenu chaud et permet de réchauffer les couches de matière déjà déposées avant le dépôt d’un nouveau filament de matière. Cet appendice joue un rôle très important pour assurer une bonne adhérence entre les couches de matière déposées successivement.

Si la plupart des buses sont bien adaptées à la mise en forme de polymères de type PLA ou ABS, la conception des buses doit être améliorée pour permettre l’extrusion de polymères techniques pour des applications à haute valeur ajoutée. La conception de buses optimisées passe par une meilleure compréhension des phénomènes de fusion, de compression du fil sur le convergent et d’écoulement au travers de ce dernier. Il n’est pas rare de constater que l’extrusion de polymères amorphes (PEI…) ou semi-cristallins (PEKK, PEEK…), dont les températures de fusion sont élevées, engendre des phénomènes d’engorgement des buses. Ces phénomènes peuvent être liés à une augmentation importante de la température du fil dans le corps de la buse, entraînant soit une fusion prématurée du fil, soit un affaiblissement des propriétés mécaniques du fil et des phénomènes d’instabilité mécanique (flambement sous compression). Pourtant peu de données sont disponibles dans la littérature sur les conditions d’écoulement des polymères au sein des buses. La nature complexe de l’écoulement dans la zone comprenant le corps et le convergent n’a pas encore été décrite. De plus, la géométrie du convergent joue également un rôle crucial sur la structuration sous écoulement du fil extrudé et par ce biais sur les propriétés mécaniques finales des pièces et doit donc être optimisée.

Afin de démontrer les avantages de la fabrication additive, une analyse du cycle de vie de la pièce imprimée sera réalisée et l’impact du recyclage sur les propriétés du polymère utilisé sera étudié en parallèle des essais d’impression. Une analyse du cycle de vie du composant sera réalisée avec le logiciel SimaPro afin de déterminer l’impact écologique de la solution proposée. Une comparaison avec le procédé d’injection sera aussi réalisée.

Positionnement par rapport aux besoins industriels

L’utilisation de technologies de fabrication additive polymère dans des applications industrielles, c’est-à-dire pour la production en série de pièces à haute valeur ajoutée, requiert la maîtrise de toute la chaîne de mise en œuvre associée au procédé de fabrication additive et l’utilisation de matériaux fonctionnels. Aujourd’hui, Les principales demandes proviennent du secteur aéronautique, car les séries restent généralement plus petites que dans l’industrie automobile.
La mise en forme de ces compounds à l’aide d’une buse FDM reste un défi et ce projet doit permettre d’augmenter la gamme de matériaux disponibles.




 

Impacts

Une ingénierie adaptée aux services des enjeux de nos partenaires

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