Développement de matériaux fibreux cellulosiques pour la production d'objets bio-sourcés imprimés en 3D par extrusion

Development of fibrous cellulosic materials for the production of bio-based 3D printed objects by extrusion

• Auteur / Autrice : Camille Thibaut
• Direction : Didier Chaussy, Sabine Rolland du Roscoat, Davide Beneventi, Aurore Denneulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 08/01/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble) - Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Dumont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilberto Antônio De Freitas Siqueira, Laurent Orgéas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Dumont, Roberta Bongiovanni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Impression 3D

Éco-matériaux

Extrusion

Mots clés libres

Cellulose

Extrusion

Matériaux Biosourcés

Structure 3D

Cellulose

3D stucture

Extrusion

Bio-Based materials

Résumé

Ce projet vise à développer de nouveaux matériaux bio-sourcés cellulosiques qui pourront être mis en forme via le procédé d’impression 3D par extrusion pour produire des objets 3D complexes et multi-matériaux. Ce travail a consisté tout d’abord à formuler des pâtes aqueuses à fort taux de matière sèche présentant des propriétés adéquates aux exigences de l’impression 3D par extrusion. Des mélanges associant des particules micrométriques organiques (cellulose sous forme de fibres courtes ou poudre, poudre de graphite, etc.) et des dérivés de celluloses (carboxymethylcellulose) ont été étudiés et ont permis l’obtention d’une pâte homogène, compatible avec le procédé d’impression 3D par extrusion qui présente des déformations limitées lors de la phase de séchage de l’objet imprimé. Une seconde phase du projet s’est ensuite concentrée sur l’adaptation et l’optimisation du système d’impression 3D par extrusion ainsi que des paramètres associés afin de garantir une fidélité optimum des objets produits en regard des modèles numériques. Les limitations de ce nouveau matériau au niveau du design des pièces produites ainsi que des paramètres d’utilisation ont été déterminées. Pour caractériser les objets produits, plusieurs approches de caractérisations innovantes comme le suivi du séchage d’une pièce imprimée par tomographie ont été mises en œuvre. Ces résultats ont permis d’aboutir à l’impression 3D de formes complexes en matériau 100% cellulosique avec des propriétés mécaniques comparables aux thermoplastiques habituellement utilisés en impression 3D de fils fondus.

This project aims at developing new cellulosic bio-based materials for additive manufacturing (AM) by extrusion to produce complex and multi-materials 3D parts. First, this project has evaluated the compatibility of aqueous and high solid content formulations with AM by extrusion. Formulations composed of micrometric organics fillers (cellulose fibers or powder and graphite powder) and cellulose derivatives (carboxymethyl cellulose) were investigated and results in a selection of homogeneous pastes with strong potential for AM by extrusion and limited deformation of the printed part upon air drying. The second stage of this project focused on adjustment and optimization of AM by extrusion equipment and the related settings to guarantee an optimum shape accuracy of 3D printed parts compared to the 3D numerical model. A printing setting guideline and design limitations adapted to the developed paste were suggested. To characterize the printing parts, different innovative methods such as the temporal monitoring by X-ray tomography of a printed part upon drying were implemented. The results of this project lead to the AM by extrusion of complex part 100% cellulose based with mechanical properties close to thermoplastic materials commonly used with fused filament fabrication process.