Proposition d'une approche méthodologique permettant d'évaluer le recyclage des polymères dans un contexte de fabrication additive open-source

Methodological proposition to evaluate polymer recycling in open-source additive manufacturing contexts

• Auteur / Autrice : Fabio Alberto Cruz Sanchez
• Direction : Mauricio Camargo-Pardo, Hakim Boudaoud, Sandrine Hoppe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des systèmes industriels
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe de recherche sur les processus innovatifs (Nancy) - Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Nadia Bahlouli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Bahlouli, Joshua M. Pearce
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salim Belouettar, Nicolas Perry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fab labs

Acide polylactique

Impression 3D

Recyclage

Polymères

Prototypage rapide

Mots clés libres

Recyclage des Polymères

Fabrication Additive

Open-Source

Impression 3D

Acide Polylactique (PLA)

RepRap

Polymer Recycling

PLA

Open-Source

Additive Manufacturing

3D printing

RepRap

Résumé

En ce début de XXIème siècle, l’époque où seul la technique transformait la société toute entière est clairement révolue. Certes, les révolutions techniques sont là : interconnexion des personnes, explosion de l’internet, apparition de nouvelles formes d’énergies, de nouveaux procédés de production, de nouveaux matériaux etc... mais l’homme n'est plus un simple consommateur sensible au prix et aux incitations de l’état. Il souhaite être acteur et participer à l’utilisation des nouvelles technologies mais de manière raisonnée et en intégrant les grands enjeux sociétaux tels que le partage et la sauvegarde des ressources et matières premières. Cette thèse s’inscrit dans cette problématique globale: en effet tout au long du manuscrit nous réfléchissons à comment une révolution technique tel que la fabrication additive (FA) est prise en main par des citoyens dans des lieux de partage de la connaissance que sont les FabLabs, et plus précisément, s’il est possible et de quelle manière introduire de la durabilité dans le contexte open-source. Nous voyons dans un premier temps, comment la problématique sociétale forte du recyclage des matériaux se développe dans le contexte de la FA en générale et plus particulièrement nous proposons une revue bibliographique systématique sur le sujet. Dans un second temps nous recentrons notre recherche sur la FA dans le contexte open source et nous montrons que les machines dans ce contexte, bien qu’à des coûts très faibles par rapport aux machines professionnelles, ont cependant des niveaux de reproductibilités suffisant pour que l’on les utilise dans le cadre d’une recherche poussée. Dans le troisième chapitre nous proposons une méthodologie générale fixant l’étude du recyclage de polymères thermoplastiques dans le contexte open-source. Dans le quatrième chapitre nous utilisons la méthodologie vu précédemment pour le recyclage de l’acide polylactique (PLA). Nous montrons le niveau de dégradation de la matière à travers l’ensemble du procédé et concluons qu’il est possible de recycler le PLA pour l’impression 3D mais dans une moindre mesure que pour les procédés d’injection. Enfin nous concluons et proposons en perspective d’étudier le recyclage en circuit court d’autres polymères thermoplastique

Since the beginning of the XXI century, we can recognize that several technical (r)evolutions have changed the way we conceived our world. New realities have appeared thanks to the information and communication technologies (e.g. Internet), peer-to-peer dynamics (e.g. open software/hardware, collaborative economy), new means of production (fablabs, hackerspaces), among others. One of the impacts of this technical ecosystem is the individual's empowerment that changes the relationship between consumer and producer. For instance, we observe an evolution of role passing from a passive consumer towards an active prosumer, where this latter considers not only economic aspects, but also social and environmental issues.This thesis is integrated in this global issue; indeed, throughout the manuscript we analyze about the impact of open-source (OS) Additive Manufacturing (AM) (also as known as open-source 3D printing or just 3D printing) in the light of the sustainability issues. The democratization of OS AM and the creation of spaces for co-creation (e.g. FabLabs) proved the interest for changes in the established roles. Therefore, we are interested in how this OS technology could develop sustainable waste management options through a polymer recycling process. In a first phase, we present the concept of additive manufacturing (AM) and its importance on sustainability issues. A systematic literature review related to the material recycling advances in the commercial and open-source (OS) AM is developed with a focus on thermoplastic polymer recycling.In a second phase, our aim is to validate open-source AM systems as a reliable manufacturing tool. We develop and test an experimental protocol in order to evaluate the dimensional performance using as case study a representative OS 3D printer: called FoldaRap. It was found that the International Standard Tolerance Grade of this machine is situated between IT14 and IT16. We conclude that the dimensional performance of this case study is comparable to the commercial AM systems, taking into account the important different in terms of machine cost. In a third phase, we center our attention on the recycling process and we propose a systematic methodology to evaluate the feasibility of the use of recycled thermoplastic polymer in OS 3D printers. A case study is developed with the evaluation of the recycling process using polylactid acid (PLA). The results allow us to conclude that the use of recycled PLA is technically feasible. Nevertheless, the degradation of the material is more important than in other traditional manufacturing systems (e.g. injection). Finally, we concludes and propose as perspectives, the study of a distributed recycling process for other type of polymers