Développement d'un procédé de fabrication additive à base de matériaux expansifs pour des pièces de grandes dimensions

Development of an additive manufacturing process based on expansive materials for large parts

• Auteur / Autrice : Elodie Paquet
• Direction : Benoît Furet, Sébastien Le Loch, Sébastien Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 04/11/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Alain Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mehdi Cherif, Nathalie Labonnote
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Landon, Sylvain Lavernhe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Impression 3D

Mots clés libres

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Résumé

Les travaux scientifiques abordés dans le cadre de la thèse portent sur le développement d'un nouveau procédé d'impression 3D à partir de matériaux expansifs permettant la réalisation de pièces de forme complexe de grandes dimensions. Ce procédé est appelé FAM (Foam Additive Manufacturing) et exploité avec des moyens robotisés il sera mise en oeuvre pour des cas d’applications dans les domaines de la construction et du nautisme. Cette technologie FAM consiste à déposer le long d’une trajectoire un polymère à l’état liquide qui va s’expanser et se solidifier en seulement quelques secondes. Sur ce premier cordon de matière solidifiée de nouvelles couches de matière vont pouvoir être imprimées, et ainsi de suite jusqu'à la pièce finale. Les objectifs de la thèse sont de développer des modèles numériques pour simuler le procédé de fabrication additive en maitrisant l’expansion du matériau, identifier les paramètres influents, développer la chaîne numérique et optimiser le processus de fabrication. Après l'identification des paramètres intrinsèques d'expansion du matériau, les modèles qui ont été développés permettent d'obtenir la géométrie des cordons déposés et les champs de température vis-à-vis de la vitesse de dépose de matière couche par couche.Grâce à ces modèles numériques, il est possible d'analyser l'influence des paramètres opératoires sur les différents observables et donc d'avoir une meilleure compréhension des phénomènes impliqués afin de proposer une solution de stratégie optimisée d'impression 3d pour garantir la géométrie 3D de la pièce, la santé matière et la fabricabilité en fonction du moyen d'impression.

Scientific work focuses on the development of a new 3D printing process from expansive materials, allowing the production of large-shaped complex parts. This process is called FAM (Foam Additive Manufacturing) and operated with robotic means it will be used for application cases in the fields of construction and boating. This FAM technology consists in depositing along a trajectory a polymer in the liquid state which will expand and solidify in just a few seconds. On this first layer of solidified material, new layers of material will be able to be printed, and so on until the final part. The objectives of the thesis are to develop digital models to simulate the additive manufacturing process by controlling the expansion of the material, identify the influencing parameters, develop the digital chain and optimize the manufacturing process. After identifying the intrinsic parameters of expansion of the material, the models that have been developed make it possible to obtain the geometry of the deposited beads and the temperature fields with respect to the rate of deposition of material layer by layer. For producte digital models, it is possible to analyze the influence of the operating parameters on the different observables and therefore to have a better understanding of the phenomena involved in order to propose an optimized 3d printing strategy solution to guarantee 3D geometry of the part, the material health and the manufacturability according to the printing machinery.