Résines photopolymérisables acrylates et nanocomposites pour impression 3D : lien entre formulation, procédé, déformation et rupture
Auteur / Autrice : | Laura Schittecatte |
Direction : | Valérie Geertsen, Patrick Guenoun, Daniel Bonamy, Thuy Nguyen |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Chimie |
Date : | Soutenance le 27/09/2024 |
Etablissement(s) : | université Paris-Saclay |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) |
Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....) | |
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….) | |
Jury : | Président / Présidente : Frédéric Restagno |
Examinateurs / Examinatrices : Jacques Lalevée, Yann Marco, Marilyne Roumanie, Gabriella Tarantino | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Lalevée, Yann Marco |
Mots clés
Résumé
L'impression 3D par photopolymérisation, méthode récente de fabrication additive, est de plus en plus utilisée en aéronautique, en ingénierie mais aussi dans le domaine médical. Cependant, la caractérisation mécanique de ces nouveaux matériaux est complexe et encore incomplète. L'objectif de ce travail est de comprendre les relations entre la composition chimique de la résine, les paramètres d'impression 3D, les post-traitements éventuels, et les propriétés mécaniques en déformation et en rupture du matériau final. Pour cela, des résines acrylates sont formulées puis étudiées. Nous avons démontré que le choix de monomères visqueux, dont le point de gel est atteint pour un taux de conversion faible, favorise le maintien des couches peu polymérisées et un meilleur contrôle de la géométrie de l'objet final. Pour aller vers des composites plus résistants, des nanoparticules de silice ont été incorporées à la résine. Nous avons démontré par des analyses de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et par microscopie électronique en transmission (MET) que pour une même nature de nanoparticule, la chimie de surface, le milieu de dispersion et le mode d'incorporation, affectent fortement la viscosité de la résine et sa réactivité. Notamment, les nanoparticules colloïdales de surface hydrophile, incorporées par transfert de solvant dans la résine, forment des agrégats fractals. Ces derniers augmentent fortement la viscosité, même pour des ajouts relativement faibles, et contribuent à limiter l'élimination des couches faiblement polymérisées lors de la polymérisation. Ceci permet de considérablement diminuer les temps d'impression 3D. Les propriétés (visco)élastiques des matériaux 3D-imprimés obtenus sont étudiées par analyse mécanique dynamique (DMA), et leur contrainte en rupture est caractérisée via des tests de traction. Dans les deux cas, un nouveau protocole a été développé pour adapter ces tests aux matériaux 3D-imprimés et évaluer l'influence de différents paramètres. L'étude en DMA a démontré l'importance du temps d'arrêt d'exposition entre les couches et du détensionnement thermique après impression, qui, combinés, réduisent de façon significative la dispersion des résultats. Enfin, nous avons proposé une géométrie de test inédite, qui parallélise la collecte des données et accélère la caractérisation de la contrainte à rupture via l'analyse de Weibull. Cette méthode a mis en lumière la variabilité intrinsèque due au procédé d'impression 3D et a prouvé l'importance du détensionnement thermique. Ces études ont aussi montré que le choix du monomère est crucial et influence de manière significative non seulement le module de conservation E' mais aussi la variabilité de la contrainte à rupture. Au contraire, l'ajout de nanoparticules de silice ne modifie pas de façon significative la valeur de E' ou le comportement en rupture pour les faibles taux de charge étudiés, quel que soit l'état de dispersion. Cette étude qui s'étend depuis la formulation chimique de la résine jusqu'à la caractérisation en rupture du matériau final, ouvre la voie à une meilleure compréhension de la structure multi-échelle complexe des matériaux imprimés en 3D et de leurs propriétés mécaniques.