Compréhension et modélisation des physiques gouvernant la mise en forme de polymères fortement chargés en poudres métalliques par le procédé de fabrication additive dépôt de fil

Understanding and modeling of the physics governing the processing of highly filled polymers in metallic powder by fused filament fabrication process

• Auteur / Autrice : Alexis Theze
• Direction : Gilles Régnier, Alain Guinault, Sébastien Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérémie Soulestin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Régnier, Alain Guinault, Sébastien Richard, Anaïs Barasinski, Thierry Barrière, Christophe Colin, Francisco Chinesta
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anaïs Barasinski, Thierry Barrière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Thèses et écrits académiques

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Fff

Feedstock

Polymères chargés

Adhésion

Déformations

Additive manufacturing

Fff

Feedstock

Highly Filled Polymers

Adhesion

Deformations

Résumé

Le MIM (Metal Injection Molding) est un procédé de fabrication alliant plasturgie et métallurgie des poudres. Un mélange de poudres métalliques et de liants thermoplastiques (dit feedstock), est injecté dans un moule pour obtenir la pièce dite verte. Le liant, ne servant que de vecteur de mise en forme, est ensuite partiellement extrait puis pyrolysé par des opérations dites de déliantage. Finalement, les poudres métalliques sont frittées à haute température pour obtenir une pièce métallique dense. Si le procédé MIM est particulièrement adapté à la grande série et aux petites pièces métalliques, la réalisation de la pièce verte par le procédé de dépôt de fil (FFF -Fused Filament Fabrication) permet de répondre à la demande de prototype et de petites séries. Cependant, le développement de cette technique n’est pas encore abouti ; en effet, la fabrication additive des pièces vertes par le procédé FFF est à ce jour limitée par des problématiques liées au manque d’adhésion entre les couches et à des déformations géométriques induites par le procédé.Pour répondre à ces difficultés, la démarche adoptée a consisté à faire dialoguer un banc instrumenté et une simulation thermique en 2D du procédé à l’échelle du cordon. Une simulation thermique basée sur la technique numérique des différences finies a permis de prédire l’évolution temporelle de la température du cordon et de son interface avec le substrat dans les premiers instants après le dépôt. Le modèle thermique développé prend en compte la cinétique de cristallisation du liant, les échanges convectifs, les résistances de contact à l’interface et le rayonnement thermique émis par la buse lors du dépôt. Le temps de diffusion des macromolécules à l’interface a été estimé par la mesure du temps de relaxation terminal du liant grâce à des essais rhéologiques réalisés sur la matrice. Ce temps de diffusion qui est de l’ordre de la milliseconde permet de considérer ce phénomène comme quasi-instantané devant les temps de refroidissement. L’analyse paramétrique du modèle numérique nous a permis d’identifier une fenêtre procédé garantissant une bonne adhésion entre les couches déposées. Finalement, cette fenêtre a été validée en réalisant des essais de cisaillement à l’échelle du cordon au moyen d’un dispositif spécifiquement conçu à cet effet.Les essais d’impression ont montré que les balayages successifs du dépôt de fil engendrent des retraits thermiques anisotropes liés à une solidification continuellement décalée dans le temps. Ainsi des contraintes liées à des potentiels retraits contrariés du feedstock se développent, mais peuvent se relaxer dans une certaine mesure. Des mesures in situ lors du dépôt de fil ont permis de suivre l’établissement des déformations tout au long du processus d’impression. Grâce à ces mesures, nous avons identifié la température d’enceinte pour laquelle ces déformations étaient minimales. Puis, une étude de la relaxation des contraintes en DMTA a permis d’identifier les conditions de mise en œuvre qui maximisent la relaxation des contraintes thermiques au cours du procédé pour finalement réduire les déformations et les contraintes résiduelles dans les pièces vertes. Enfin, la méthodologie développée dans ces travaux peut être étendue à d’autres matériaux semi-cristallins mis en œuvre par le procédé FFF.

Metal injection molding (MIM) is a process for molding highly filled polymers with metallic powder in the same way as thermoplastic injection molding with the aim to produce small metal components. The high content of fine metal powder is mixed with a thermoplastic binder to create a material known as “feedstock.” The feedstock is injected to produce the so-called green part. After the injection molding, the polymer in the green part is removed by solvent dissolution and/or pyrolysis at intermediate temperatures: this step is referred as debinding. The parts are then sintered at high temperatures close to the alloy’s solidus to obtain a dense metallic part. This process allows the production of small complex metal parts with fine geometric details. Due to the high costs and lead production times of injection tools, the additive manufacturing of green parts using the fused filament fabrication (FFF) process is particularly suitable for prototyping or small series. However, this technique is not mature enough ; additive manufacturing of green parts through FFF process is currently facing geometric deformations (warpage) caused by thermal stresses and lack of adhesion between the layers. This work deals with these two technical issues.We designed a simple device to measure the shear strength required to tear off a filament deposited on a substrate. This device enables to quickly identify the suitable process window for a good welding of filaments. We developed a 2D thermal simulation using the finite difference method while integrating the enthalpy of fusion and crystallization kinetics of the material. We then fitted it to the thermal measurements performed on an instrumented FFF machine. Simulation results highlight the key role of the thermal contact resistance between the filament and the substrate in the evolution of the interface temperature. This provides essential information to explain the process window that can be determined experimentally. The characteristic time of macromolecule diffusion was determined by rheological measurements and was found to be too small to play a role in filament bonding for the simulated cooling rates for the studied material.Once the process condition ensuring a good adhesion between layers was determined, the first printing tests showed that successive deposition of the melted material generates a structurally anisotropic part and warpage. In fact, the deposited feedstock cools at different times and different rates and thus induces thermal stresses into the part which may to a certain extent be relaxed. In situ strain measurements were used to monitor the establishment of thermal strain throughout the printing process. Using these measurements, we identified the build chamber temperature at which thermal stress induced in the printed part was minimal. Finally, a study on stress relaxation enabled to identify the processing conditions that maximize the relaxation of thermal stresses to ultimately reduce warpage of the printed parts.