Étude expérimentale et modélisation du procédé d’impression en 3D de pièces en thermoplastiques chargés de fibres

Experimental study and modelling of the 3D printing process of parts in thermoplastics reinforced with fibers

• Auteur / Autrice : Dihya Mezi
• Direction : Julien Férec, Gilles Ausias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 10/11/2020
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Pierre Dumont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Grohens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Mongruel, Chung Hae Park

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres de carbone

Impression 3D

Mots clés libres

Orientation des fibres

Suspension des fibres

Gonflement

3D printing

Fiber suspension

Carbon composites

Swelling

Résumé

Les polymères chargés de fibres sont utilisés dans l’impression 3D pour améliorer les propriétés mécaniques des pièces finales. Le filament chargé de fibres est extrudé et ensuite déposé. La distribution d’orientation des fibres a un effet direct sur les propriétés mécaniques du produit. Le projet de cette thèse vise à comprendre le comportement et déterminer l’état d’orientation de fibres dans le procédé d’impression 3D. Le matériau choisi est un PA12 chargé de fibres de carbone. Des travaux expérimentaux ont été réalisés afin de comprendre le comportement du composite imprimé et l’influence des paramètres de mise en forme. Les résultats des propriétés mécaniques sont comparés aux résultats des pièces injectées et ont montré des valeurs comparables entre les deux procédés. Cela revient à dire que le comportement des composites dépend à la fois du procédé de mise en forme et aussi de l’état d’orientation des fibres. Afin de comprendre cet état d’orientation des fibres dans la pièce imprimée, il est important de comprendre l’interaction entre l’écoulement et la dynamique des fibres. Cette thèse offre des modèles numériques qui permettent de prédire ces états d’orientation en utilisant des modèles qui décrivent le mouvement des fibres dans un écoulement fluide. Ce travail s’intéresse à la distribution d’orientation des fibres à la sortie d’une buse d’imprimante 3D et à son effet sur la forme de la surface libre. Une première simulation sert à valider l’implémentation numérique du modèle du gonflement avec un écoulement d’un fluide newtonien et par la suite l’ajout de la dynamique d’orientation des fibres est considéré. Ce travail présente des modèles de prédiction d’orientation des fibres avec des approximations de fermeture et en utilisant la fonction de distribution. Les résultats du calcul permettent d’étudier l’orientation des fibres à la sortie de la buse de l’imprimante et l’effet du modèle couplé sur la forme finale de la surface libre.

Fiber-filled polymers are used in 3D printing to enhance mechanical properties of the final parts. The reinforced filament is extruded and then deposited. The fiber orientation distribution has a direct effect on the mechanical properties of the final part. This Phd thesis aims to understand the behavior and to determine the fibers orientation in the 3D printing process. The choice of material is based on the 3D printing of a PA12 matrix loaded with carbon fibers. Experimental work was carried out to understand the behavior of the printed composite and the influence of the 3D printing parameters. The mechanical properties are compared with the results of the injected parts and shown the good values. The interaction between the fluid flow and the fiber dynamic determine the fibers orientation state in the 3D printed part. This thesis offers numerical models that can predict these states of orientation using models that describe the movements of fibers in a fluid flow. This work focuses on the fibers orientation distribution at the exit of a 3D printing nozzle and its effect on the shape of the free surface. Numerical modelling allows to understand the interaction between the suspension flow and the fiber orientation. In this thesis, the fiber orientation state is describing with the closure approximation and probability distribution function (PDF). This work focuses on the fiber orientation distribution at the nozzle exit of a 3D printing and its effect on the shape on the free surface. At first, numerical prediction is used to validate the implementation of the swelling model of a Newtonian fluid and then by adding the fiber stress contribution. The fully coupled model shows the influence of the the fiber stress contribution on the final die swell