Shahriar Bakrani Balani




Doctorant à l'Institut Universitaire de Technologie de Tarbes (IUT de Tarbes)
Membre du groupe Matériaux et Structures Composites (MSC)

☎ +33 (0) 5 62 44 27 00

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 connaissance 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.













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