Méthodologie de préparation à la fabrication de composants de grandes dimensions à partir de matériaux polymères thermoplastiques fondus

A generic methodology for large-sized thermoplastic polymer parts in additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Olivier Authelin
• Direction : Jean-Yves Hascoët, Matthieu Rauch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tournier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Hascoët, Matthieu Rauch, Christophe Tournier, Anaïs Barasinski, Nicolas Perry, Guillaume Rückert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anaïs Barasinski, Nicolas Perry
• DOI : 10.70675/9dd81effz5b13z487czbdafzcc4694a03521

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages de polymères

Composites polymères

Systèmes de grandes dimensions

Procédés de fabrication

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Méthodologie de préparation à la fabrication

Extrusion de polymères fondus

Trajectoires de fabrication

Bras robotisés 6-axes

Additive manufacturing

Manufacturing methodology

Fused polymer extrusion

Multi axis toolpaths

6-axis robot

Résumé

La fabrication additive de composants de grandes dimensions à partir de matériaux polymères thermoplastiques fondus connaît depuis les années 2010 un essor important, l’arrivée de matériaux innovants ayant permis de réaliser un bond en avant en termes de propriétés mécaniques intrinsèques. La réalisation de démonstrateurs de grandes dimensions, développés au sein de la littérature scientifique, a mis en lumière la pertinence de ce procédé pour la réalisation d’applications structurelles(équipements sportifs, ponts pédestres) et non structurelles (moules et outillages de grandes dimensions). En effet, lesavantages de ce procédé sont nombreux, comme par exemple la fabrication de composants personnalisés ou la réduction des coûts et des délais d’obtention. Cependant, ressortent de l’analyse de l’état de l’art des verrous scientifiques relatifs à la fabrication de ces démonstrateurs de grandes dimensions :- la façon de procéder, de type « essais - erreurs – corrections », est coûteuse en temps, en ressources et en argent. Il n’existe pas de consensus concernant une méthode générique qui permette de réaliser des composants de grandes dimensions ;- des problématiques concernant la génération des trajectoires de fabrication en vue de respecter un cahier des charges et le choix d’un moyen de fabrication adapté doivent être résolues.Dans le cadre de ce manuscrit est développée une méthodologie de préparation à la fabrication de composants de grandes dimensions réalisés à partir de matériaux polymères thermoplastiques fondus. Elle propose une préparation à la fabrication générique, basée sur un ensemble de règles métier intégrant la prise en compte des problématiques précédemment mentionnées. Les étapes de la méthodologie sont traitées de manière chronologique au sein des chapitres dans lesquels les problématiques spécifiques et les solutions mises en place pour les résoudre sont explicitées. Un axe de recherche consacré au renforcement des composants à partir de matériaux renforcés de fibres continues afin de pallier la problématique d’anisotropie des propriétés mécaniques inhérente aux procédés additifs basés sur l’extrusion de polymères fondus, est notamment développé. Pour finir, la réalisation de démonstrateurs de grandes dimensions permet de mettre en lumière la pertinence des éléments présentés au sein de la méthodologie mais aussi les perspectives pouvant lui être apportées.

Large-sized additively manufactured components made of thermoplastic polymer materials has experienced significant growth since the 2010s, the arrival of innovative materials having made possible to achieve a leap forward in terms of intrinsic mechanical properties. Large-scale demonstrators manufacturing, developed within the scientific literature, has highlighted therelevance of this process for the realization of structural (sports equipments, pedestrian bridges) and non-structural (large-dimension molds and tools) applications. Indeed, the advantages of this process are numerous, such as for example personalized components manufacturing or costs and lead times reduction. However, large-scale demonstrators manufacturing scientific obstacles resulting from state-of-the-art analysis emerges:- “trial - error - correction” procedure is costly in time, resources and money. There is no consensus on a generic method that allows large components manufacturing preparation;- issues concerning toolpaths generation in order to comply with specifications and the choice of a suitable manufacturing means must be resolved. Within the framework of this manuscript is developed a preparation methodology for large-sized components manufacturing made from fused thermoplastic polymer materials. It offers preparation for generic manufacturing, based on a set of process specific rules integrating the consideration of the previously mentioned issues. The steps of the methodology are processed chronologically in each chapter of the manuscript in which the specific issues and the solutions put in place to resolve them are explained. A research axis dedicated to components reinforcement from continuous fibers reinforced materials in order to overcome mechanical properties anisotropy, inherent in additive processes based on fused thermoplastic polymer materials is notably developed. Finally, large-scale demonstrators manufacturing makes it possible to highlight the methodology relevance but also the perspectives that can be brought to it.