Construction d'un jumeau numérique pour l'impression 4D de matériaux intelligents

Building of a digital twin for 4D printing of smart materials

• Auteur / Autrice : Ijaz Akbar
• Direction : Mohamed El Mansori, Mourad El hadrouz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique - Procédés de fabrication
• Date : Soutenance le 09/10/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing (MSMP) - Mechanics surfaces and materials processing (MSMP)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Saïd Ahzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mansori, Mourad El hadrouz, Saïd Ahzi, Eric MacDonald, Thomas R. Kurfess, Dimitris C. Lagoudas, Mostapha Tarfaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric MacDonald

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Polymères

Impression 4D

Dissertation universitaire

Jumeaux numériques

Mots clés libres

Impression 4D

Polymères à mémoire de forme

Jumeau numérique

Fused Filament Fabrication

Analyse éléments finis

4D printing

Shape memory polymers

Digital Twin

Fused Filament Fabrication

Finite Element Analysis

Résumé

La fabrication additive inspire par l’impression 4D des polymères à mémoire de forme ouvre un champ d’applications innovantes en raison de l’introduction de fonctionnalités dépendantes du temps et contrôlables par des stimuli multi-physiques (mécanique, optique et thermique). Les différents procédés d’impression 3D, couplés à des matériaux à mémoire de forme, ont donné naissance à l’impression 4D. La quatrième dimension repose sur la capacité de la pièce imprimée à changer de forme au cours du temps, activant ainsi des fonctionnalités telles que le changement de forme, l’amortissement intelligent ; elle permet également de définir de nouveaux motifs de déformation spontanée. Cependant, l’efficacité de telles structures est étroitement liée à l’histoire thermomécanique de leur mise en forme par FFF, particulièrement dans le cas de polymères ayant une basse température de transition vitreuse θ_g. De plus, les propriétés de mémoire de forme de polymères amorphes ou semi-cristallins composant des structures lattice sont dépendent du procédé de fabrication, du nombre de cycle de mémoire de forme et de la variabilité des propriétés matériaux. L’optimisation de ces effets de mémoire de forme en fonction des paramètres précédents constitue une des problématiques scientifiques peu abordées dans la littérature. La première partie de ce travail identifie quatre éléments jouant un rôle essentiel pour faire de l’impression 4D un procédé robuste. Les caractéristiques physico-chimique et structurale des polymères à mémoire de forme, l’influence des paramètres d'impression FFF, un environnement de caractérisation thermomécanique des propriétés de mémoire de forme, et des outils de simulation numérique sont des éléments pertinents pour la réalisation d’une analyse fine de la relation entre le procédé et les propriétés fonctionnelles. À cet effet, la caractérisation essentielles sont analysées pour illustrer le comportement thermo physique des polymères à mémoire de forme pour leur jumeau numérique et physique. Dans un second temps, les propriétés calibrées ont été implantés dans un modèle éléments finis du processus d’impression FFF à l’aide du logiciel Abaqus® AM module. Les contraintes résiduelles et le gauchissement sont optimisés pour réaliser une impression réussie de polymères ayant une basse température de transition vitreuse θ_g. L'espace de conception optimisé permet une minimisation de 80 % du gauchissement, de 81 % des contraintes résiduelles, et un temps de fabrication et de simulation ramenés à 9 % et 18,5 %. De plus, les propriétés de mémoire de forme obtenues selon deux méthodes de fabrication (impression FFF et moulage par injection) sont comparées et présentent un indice de similarité de 86 % pour celles issues du processus FFF par rapport à celles obtenues par moulage par injection. L’étude suivante, qui examine l’influence des matériaux (amorphes et semi-cristallins) et de la variabilité des processus d’impression dans le cadre d’un cycle de mémoire de forme thermomécanique, offre des effets de mémoire de forme importants pouvant induire une reprise de forme jusqu'à 92,30 ± 0,32 % de la configuration programmée. Enfin, la structure lattice (en forme de losange) a subi des cycles répétitifs de programmation et effet mémoire simple, ceci pour les deux types de polymères. Les essais ont révélé qu’avec l'augmentation du nombre de cycles, les taux de recouvrement de forme des quatre premiers cycles ont évolué de 82 à 100 % pour le polymère amorphe, et de 79 à 95 % pour le polymère semi-cristallin ; ce taux se stabilise pour les cycles suivants. D’un point de vue global, les diverses caractérisations présentées dans ce travail de thèse permettent une compréhension plus fine des interactions entre les paramètres de fabrication, les variabilités matériaux et les propriétés fonctionnelles recherchées ; en outre, l’approche adoptée ouvre la voie au développement d’un jumeau numérique du procédé d’impression 4D.

Additive manufacturing inspired by 4D printing of shape memory polymers (SMPs) can capitalize on the fabrication of self-morphing intelligent devices and patterns to deform spontaneously. Different 3D printing techniques coupled with shape memory materials gave birth to 4D printing. The 4th dimension is based on the ability of printed SMPs to shape change over time and controllable multi-physics stimuli (mechanical, electrical, optic, and thermal). 4D printing of SMPs with the fused filament fabrication (FFF) technique is still a dominant challenge, following lower glass transition temperatures (θ_g) prone to higher thermal strains during the printing process. Similarly, the shape memory effects (SMEs) of amorphous and semi-crystalline structures influenced by fabrication method, number of shape memory cycles (SMCs), and materials variability are the significant non-discussed challenges for 4D printing. Accordingly, the robustness of 4DP is investigated and found that four factors (SMPs characteristics, the role of FFF printing parameters, SMPs thermomechanical shape memory actuation, and numerical simulation) are the key drivers to fully understanding the 4D printing process from materials to dynamic applications. Initially, the essential characteristics are analyzed to illustrate the thermomechanical behavior of SMPs for their digital and physical twins. Additionally, the FFF printing process optimization was modeled through a finite element modeling (FEM), and the simulation tool of the Abaqus® AM module executed the constitutive equations for the entire process to optimize the residual stresses and warpage to enable the successful printing of lower θ_g SMPs. The optimized design space for SMPs printing minimized the associated warpage to 80%, residual stresses to 81%, build and simulation time to 9%, and 18.5%. Moreover, the SMEs of SMPs influenced by fabrication methods presented an 86% similarity index of the FFF process against ones produced by injection molding. The following study considering the materials (amorphous and semicrystalline) and printing process variability under a single thermomechanical shape memory cycle, offered significant SMEs of up to 92.30 ± 0.32 % from the programmed configuration. The robustness of SMEs was validated statistically while comparing with the predictions of a high-order design model by Design Expert. Finally, to access the structural performance under repetitive actuations, multiple shape memory cycles are executed on both SMPs. Cyclic repetitions shown, with the increasing number of cycles the shape recovery ratios of the first to fourth cycles increased from 82% to 100% of amorphous SMP and 79 to 95% of semicrystalline SMP and then tend to stable thereafter. Although, the shape fixity ratio of semicrystalline SMP structures dropped from 100% to 80% with the increasing number of cycles and still reported above 98% for amorphous SMP at the end of the 5th cycle. Overall, the analyses and assessments presented in this thesis are adequate to understand the shape memory behavior under process control parameters to establish a data-driven model of a 4D printed semi-crystalline and amorphous polymer reactive to thermal stimuli.