Etude expérimentale et modélisation phénoménologique de l'impression FFF de polymères PAEK chargés et natures

Experimental study and phenomenological modeling of FFF printing of PAEK polymers and composites

• Auteur / Autrice : Adel Benarbia
• Direction : Vincent Sobotka, Nicolas Boyard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique-thermique-Combustion
• Date : Soutenance le 09/12/2024
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Franck Pigeonneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ilias Iliopoulos, Christophe Roua
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Nassiet, Yves Grohens
• DOI : 10.70675/b0312ab8zeef3z451eza4cbz1ab6462b4c54

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiphysique

Impression 3D

Thermoplastiques

Mots clés libres

Thermique

Cristallisation

Adhésion

Cicatrisation

FFF

PEEK

Heat transfer

Crystallization

Adhesion

Healing

Fused Filament Fabrication

PEEK

Résumé

Le procédé de fabrication additive par FFF (Fused Filament Fabrication) implique l'extrusion d'un polymère fondu selon des trajectoires complexes déterminées. Cependant, ce procédé présente des limitations, notamment une diminution des propriétés mécaniques comparée aux techniques de fabrication conventionnelles. Cette baisse des performances est principalement due à une adhésion insuffisante aux interfaces des filaments et à la présence de macroporosités. Ces phénomènes sont fortement influencés par l’historique thermique, mais aussi à la présence de cristaux dans le cas des polymères semicristallins. Ce travail de thèse permet de prédire grâce à un modèle multiphysiques validé expérimentalement le degrès de cicatrisation aux interfaces en fonction des paramètres du procédé. Une imprimante industrielle équipée d’un four haute température a été développée, caractérisée et instrumentée afin de mesurer le refroidissement à l’échelle du filament. Parallèlement, des modèles thermiques 2D et 3D du procédé ont été élaborés et validés à partir des données expérimentales. Ensuite, des modèles de cristallisation et de fusion ont été créés à partir d’études calorimétriques, puis intégrés dans le modèle multiphysique. De plus, une étude expérimentale a été réalisée pour mesurer le degré d’adhésion des pièces imprimées en fonction des paramètres du procédé. Ce modèle multiphysique a ensuite été complété par un modèle d’adhésion prenant en compte l’influence de la cristallisation et de la température. Enfin, les résultats expérimentaux de l’adhésion ont permis de valider le modèle multiphysique final.

The FFF (Fused Filament Fabrication) additive manufacturing process involves the extrusion of a molten polymer along complex predetermined trajectories. However, this process has limitations, including a reduction in mechanical properties compared to conventional manufacturing techniques. This performance decrease is mainly due to insufficient adhesion at the filament interfaces and the presence of macroporosities. These phenomena are strongly influenced by the thermal history, and in the case of semicrystalline polymers, by the presence of crystals. his thesis work aims to predict the degree of interface healing based on process parameters using a multiphysics model validated experimentally. An industrial printer equipped with a hightemperature oven was developed, characterized, and instrumented to measure cooling at the filament scale. Concurrently, 2D and 3D thermal models of the process were developed and validated using experimental data. Subsequently, crystallization and melting models were created based on calorimetric studies and integrated into the multiphysics model. Additionally, an experimental study was conducted to measure the adhesion degree of printed parts as a function of process parameters. This multiphysics model was then enhanced with an adhesion model that accounts for the influence of crystallization and temperature. Finally, the experimental adhesion results validated the final multiphysics model.