Impression 3D et 4D de composites à hautes performances renforcés par des fibres continues synthétiques ou naturelles pour des applications structurelles ou de morphing

3D and 4D printing of high performance continuous synthetic and natural fibre composites for structural and morphing applications

• Auteur / Autrice : Guillaume Chabaud
• Direction : Antoine Le Duigou, Mickaël Castro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Yves Grohens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrizio Scarpa, Amandine Celino, Jérémie Soulestin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Bahlouli, Masahito Ueda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bionique

Fibres végétales

Propriétés mécaniques

Composites 3D

Impression 3D

Mots clés libres

Impression 4D

Biocomposites

Fibres continues

Hygromorphes

3D Printing

4D Printing

Continuous fibers

Mechanical properties

Biocomposite

Biomimicry

Hygromorph

Résumé

L’impression 3D et plus spécifiquement la technique de Fused Filament Fabrication (FFF) de matériaux composites à renforts continus est un domaine d’étude en plein essor visant à pallier les faibles performances mécaniques rencontrées par les composites élaborés en impression 3D et ainsi ouvrir les champs d’applications (aéronautique, course au large…). Autre tendance, l’impression 4D qui permet de développer des matériaux stimulables (capteurs et/ou actionneurs) et d’envisager des structures architecturées complexes se déformant sous l’action de divers stimuli (humidité, électricité, température, pression…). Le travail de thèse s’inscrit dans ce contexte pluriel et vise à développer de nouveaux matériaux multifonctionnels par impression 3D et 4D. Dans un premier temps, le travail de thèse a pour objectif scientifique de comprendre les relations entre le procédé, la microstructure induite, les performances mécaniques et hygro-mécaniques en vue d’applications structurelles (aéronautique, course au large …) sur des matériaux composites renforcés de fibres synthétiques (carbone et verre) et naturelles (lin). La deuxième partie des travaux de thèse vise à développer des matériaux composites hygromorphes renforcés de fibres continues (synthétiques et naturelles) par impression 4D avec une architecture en bilame bio-inspirée de la pomme de pin. Le caractère conducteur des fibres de carbone est utilisé pour développer de nouveaux actionneurs electro- thermo-hygromorphes présentant un actionnement contrôlé et accéléré par rapport aux hygromorphes classiques. Enfin, la liberté de design offerte par l’impression 3D a été utilisée pour contrôler localement la rigidité et l’actionnement d’actionneurs composites renforcés de fibres de lin continues.

3D printing and especially Fused Filament Fabrication (FFF) technology for composite materials reinforced by continuous fibers is an emerging research field which aims to enhance the mechanical performance of 3D printing structures and to widen the field of application (aerospace, sailing…). Another trend, 3D printing allows to develop stimulable materials (sensor and/or actuators) and to consider parts with complex architecture that can be deployed under various stimulation (electricity temperature, pressure…). The present work is therefore part of this context and aims to develop new multi-functional materials elaborated by 4D printing. First, the scientific objective of this work is to better understand the relationship between the process, the induced microstructure, mechanical and the hygromechanical performances in order to target structural applications (aeronautic, sailing) for composite materials reinforced with synthetic fibers (carbon and glass) and natural fibers (flax). The second part of this work aimed to develop hygromorphic composites reinforced with continuous fibers (synthetic and natural) by 4D printing with a bioinspired bilayer architecture inspired by the pinecone scale. The conductive behavior of carbon fiber was used to create new electro-thermo-hygromorph actuators with controlled and accelerated actuation compared to conventional hygromorphs. Finally, the design freedom provided by 4D printing made it possible to control the local stiffness and actuation of composite actuators reinforced with continuous flax fiber