Shahriar Bakrani Balani

Doctorant - Institut Universitaire de Technologie de Tarbes (IUT de Tarbes)
Membre du groupe Matériaux et Structures Composites (MSC)
2866,
 
    (recherche)
Activités de recherche :

Impression
3D des thermoplastiques hautes performances : Étude expérimentale et
modélisation numérique du procédé par dépôt de filament

Doctorant: Shahriar BAKRANI BALANI
Encadrants: Valérie NASSIET, Arthur CANTAREL,
France CHABERT

Résumé : Le procédé par dépôts de
filament (FDM) est un des procédés les plus courants de la fabrication
additive. Les matériaux utilisables actuellement sont principalement des
polymères de grande consommation avec de faibles propriétés mécaniques et
durabilité. Les polymères de la famille des PAEK sont les plus durables et les résistants
parmi les thermoplastiques. La compréhension du comportement de ces polymères
aux interfaces ouvrirait la possibilité de les utiliser en fabrication
additive. L'objectif de cette étude est de déterminer les paramètres
d'impression optimums permettant d'optimiser leurs propriétés mécaniques par
des études expérimentales et une simulation numérique multiphysiques du procédé.

Abstract : Fused Deposition Modelling (FDM) process is one of the most common types of
additive manufacturing. However, the used polymers in this process are limited to
large consumption polymers with low mechanical properties and low durability.
PAEK family polymer has one of the highest enduring and resistance among all of
the thermoplastics. The understanding of the behavior
of these polymers in the interface enables the use of the mentioned polymers
for AM. The aim of our study is determining the optimum printing parameters by
experimental study and multiphysics numerical simulation, in order to optimize the mechanical properties of
manufactured parts by FDM.

Afin d'optimiser le procédé de fabrication additive par dépôt de
filament thermoplastiques hautes-performances, la connaissanc
e fine des
propriétés physiques de ces polymères ainsi que la compréhension de l'influence
de ces propriétés aux interfaces sont primordiales.

1. Etude
expérimentale

Nos études préliminaires montrent que l'influence
des propriétés physiques des polymères jouent un rôle important sur la qualité
des pièces fabriquées par FDM. Les propriétés rhéologiques du PEEK 450G telles
que la viscosité complexe, la viscosité élongationnelle ainsi que les modules
de perte et conservation ont été déterminés par rhéomètrie. Les résultats
obtenus pour le PEEK montrent le comportement rhéofluidifiant du PEEK, la viscosité
complexe diminue lorsque la température et la fréquence augmente. En comparant ces
résultats obtenus avec ceux d'autres polymères plus conventionnelles, nous
constatons que la viscosité du PEEK est beaucoup plus élevée.
Nos résultats
montrent également des changements drastiques de viscosité à  haute température et
à  basse fréquence lié à  la dégradation du polymère. Les températures de
transitions de phase, transition vitreuse à  150°C , fusion à  360°C ainsi que la
cinétique de cristallisation du PEEK ont été déterminés à  l'aide d'une DSC. En
conséquence, la température d'impression du PEEK doit être supérieure à  360°C,
et la vitesse de refroidissement inférieure à  5 °C/min [1].

Pour améliorer la qualité des pièces
fabriques par FDM la coalescence des filaments déposés doit être optimisée. Le
temps de relaxation et de coalescence entre 2 filaments voisins a été déterminée
par des études expérimentales. Les résultats obtenus montrent qu'en dessous de
la température de fusion il n'y a pas de coalescence entre des segments
déposés, la température doit également être augmentée afin de diminuer la
viscosité, mais la tension de la surface doit rester élevée pour améliorer la
qualité de la pièce imprimée [2].

2.Simulation numérique

La
modélisation de ces phénomènes et leur simulation numérique est en cours. La simulation
numérique de la coalescence entre filaments et de l'écoulement lors du procédé
d'extrusion ont été réalisées en considérant un modèle diphasique laminaire
avec le logiciel COMSOL Multiphysiques . Les résultats préliminaires obtenus
par la simulation numérique pour la coalescence des joncs présentent un écart
important entre les résultats expérimentaux pour des fluides à  forte viscosité
(PEEK, 104 Pa.s), mais donnent une excellent corrélation à  faible
viscosité (glycérine, 1.5 Pa.s).

3. Perspectives

Pour la suite de la thèse nous allons affiner
la simulation numérique de la coalescence de filaments et valider nos résultats
pour le PEEK. La simulation de l'extrusion sera couplée au problème thermique pour
permettre une simulation réaliste du procédé FDM.

La fabrication d'une imprimante expérimentale
hautes températures équipée d'une enceinte thermique nous permettra de valider
les paramètres optimisés lors de la simulation numérique par la fabrication et
la caractérisation d'éprouvettes.

Références

[1]A.Visse, S. Bakrani Balani, C.Garnier,
F.Chabert, V.Nassiet et A.Cantarel. Les propriétés critiques pour maîtriser la
qualité des pièces en PAEK en fabrication additive, ''Matériaux pour le domaine
aérospatial: de l'innovation dans l'air", octobre, 2016.

[2]S. Bakrani Balani, C.Garnier,
F.Chabert, V.Nassiet et A.Cantarel. Toward improvement of the properties of
parts manufactured by FFF (Fused Filament Fabrication) through understanding
the influence of temperature and rheological behavior
on the coalescence phenomenon, The 20th anniversary of the International
ESAFORM Conference on Material Forming - ESAFORM 2017, April, 2017.