Additive manufacturing of the high-performance thermoplastic : experimental study and numerical simulation of the Fused Filament Fabrication

par Shahriar Bakrani Balani

Thèse de doctorat en Science et Génie des Matériaux

Sous la direction de Valérie Nassiet et de Arthur Cantarel.

Soutenue le 07-06-2019

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Fabrice Schmidt.

Le jury était composé de Valérie Nassiet, Arthur Cantarel, Vincent Sobotka, Gilles Ausias, Matthieu Zinet, Orlando Santana, France Chabert.

Les rapporteurs étaient Vincent Sobotka, Gilles Ausias.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    La fabrication additive (FA) fait référence à une grande variété de procédés de fabrication pour le prototypage rapide et la production de produits finis et semi-finis. Contrairement aux procédés classiques ou soustractifs, en fabrication additive, le matériau est ajouté progressivement couche par couche pour former les pièces. La fabrication additive permet la fabrication de pièces complexes impossibles ou peu rentables à fabriquer avec les procédés traditionnels. Le procédé FFF (Fused Filament Fabrication) est basé sur la fusion d'un filament polymère ; le filament est ensuite déposé couche par couche pour fabriquer les pièces finales. Malgré l'intérêt croissant des industries et du grand public ces dernières années, ces procédés de fabrication ne sont toujours pas bien maîtrisés, en particulier pour les polymères qui ne sont pas de grande consommation. Dans cette thèse, nous allons nous intéresser à l’imprimabilité du PEEK (Polyétheréthercétone).Dans un premier temps, nous avons déterminé les propriétés du polymère influençant la qualité des pièces imprimées par FFF. Les propriétés rhéologiques, la tension superficielle, la conductivité thermique et la dilatation thermique ont été déterminées expérimentalement. Ensuite,le phénomène de coalescence des filaments polymères a été étudié par des mesures expérimentales, un modèle analytique et par simulation numérique. De plus, la stabilité du filament et ses propriétés d’écoulement lorsqu’il sort de l’extrudeuse dans le procédé FFF ont été déterminées expérimentalement puis par analytique et simulation numérique. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la détermination du gonflement des filaments de PEEK. Enfin, la cinétique de la cristallisation isotherme et non isotherme du PEEK a été étudiée expérimentalement. La cinétique de cristallisation a été appliquée au procédé FFF par simulation numérique afin de déterminer la température d’environnement optimale pour contrôler la cristallisation des pièces imprimées. La cristallisation du PEEK atteint sa valeur maximale (environ 22%) de cristallisation pendant le dépôt. En outre, la cristallisation libère de la chaleur dans le système


  • Résumé

    Additive manufacturing (AM) refers to a wide variety of manufacturing processes for rapid prototyping and production of final and semi-final products. In opposite to conventional orsubtractive processes, in additive manufacturing, the material is gradually added layer by layer to form the parts. AM enables the fabrication of complex parts which were impossible or not costeffective to manufacture with the traditional processes. Fused Filament Fabrication (FFF) is basedon the melting of a polymeric filament in an extruder; the filament is then deposited layer by layerto manufacture the final parts. Despite growing interest from industries and a large audience inrecent years, these manufacturing processes are still not well mastered, especially for not mass produced polymers. In this thesis, we will take an insight into the printability of PEEK(Polyetheretherketone). The aim is to find the printing conditions to obtain the best quality of theprinted parts by FFF process. In the first step, we have determined the polymer properties influencing the quality of the printed parts by FFF. The rheological properties, the surface tension,the thermal conductivity and thermal expansion have been determined experimentally. Then, thecoalescence phenomenon of the polymeric filaments has been studied by experimental, analyticaland numerical simulation. Furthermore, the stability of the filament and its flow properties when itexits from the extruder in the FFF process has been determined by experimental, analytical andnumerical simulation. Then, we have focused on the determination of the die swelling of PEEKextrudate. Lastly, the kinetics of isothermal and non-isothermal crystallization of PEEK has beenstudied by experimental study. The kinetics of crystallization has been applied to FFF process bynumerical simulation in order to determine the optimum environment temperature to control thecrystallization of printed parts. The crystallization of PEEK reaches its maximum value (about22%) of crystallization during the deposition.


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