Etude numérique et caractérisations expérimentales d’un matériau architecturé issu de la fabrication additive

Numerical study and experimental characterizations of an architectured material from additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Marouene Zouaoui
• Direction : Julien Gardan, Pascal Lafon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 12/11/2021
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : : EPF école d'ingénieurs généralistes (Troyes) - Union européenne
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Systèmes Mécaniques et d'Ingénierie Simultanée / LASMIS
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Delamézière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Gardan, Pascal Lafon, Arnaud Delamézière, Samir Allaoui, Frédéric Vignat, Elnaz Asadollahiyazdi, Alain Bernard, Ali Makke
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samir Allaoui, Frédéric Vignat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Éléments finis, Méthode des

Anisotropie

Prototypage rapide

Mots clés libres

Prototypage rapide

Anisotropie

Éléments finis, Méthode des

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Rapid prototyping

Anisotropy

Finite element method

Materials--Mechanical properties

Résumé

Une méthode de structuration des trajectoires par un dépôt de filament contrôlé en fabrication additive permet d’élaborer des matériaux architecturés capables de répondre à des fonctionnalités prédéfinies. Des études expérimentales antérieures dans le domaine de la rupture, reportent un gain de rigidité structurale et une augmentation de la ténacité grâce à cette structuration. Dans cette thèse, des essais de traction ont été menés avec différentes orientations de filament afin d’étudier leurs effets sur le comportement de la structure. Ils montrent que le comportement élastique du matériau architecturé est quasi isotrope. Cependant, une anisotropie prononcée est observée au niveau de sa limite élastique et sa résistance en traction. À la suite de cette première étape d’investigation, nous proposons un modèle par Éléments Finis basé sur l’attribution des repères locaux dans des éléments de maillage. Lors de cette recherche, le comportement mécanique a été modélisé avec une loi transverse isotrope dans le domaine élastique et une norme de Hill pour décrire son écoulement anisotrope. Un premier modèle numérique se montre capable de prédire le comportement en traction sans calculer l‘air gaps alors que celui-ci s’est avéré insuffisant pour prédire le gain de rigidité. Une analyse des trajectoires de dépôt et de leurs recouvrements permet d’expliquer leur influence sur la rigidité structurale à un niveau mésoscopique. Un dernier modèle numérique a été ainsi configuré afin de mieux simuler l’effet de la structuration sur le comportement mécanique.

A trajectory structuring method in additive manufacturing makes it possible to develop architectured materials capable of responding to predefined functionalities. In this thesis, we are interested in the modeling of an architectured material obtained by fused filament fabrication. Previous experimental studies in the field of fracture report a gain in structural rigidity and an increase in fracture toughness thanks to this structuring method. Tensile tests were carried out with different filaments orientations in order to study the effect on the behavior of the structure. They show that the elastic behavior of the architectured material is quasi-isotropic. However, anisotropy is observed at its elastic limit and tensile strength. Following this first stage of investigation, we propose a first Finite Element model based on local references assignment in mesh elements. During this research, the mechanical behavior was modeled using a transverse isotropic law in the elastic domain and a Hill criterion to describe its anisotropic yielding. This model is proven able of simulating the tensile behavior without calculating the porosity nevertheless it is insufficient to predict the rigidity enhancement. An analysis of the deposition trajectories correlates the effect of the trajectories crossings on the structural rigidity at a mesoscopic scale. A last digital model was thus configured to incorporate the effect of the structured trajectories on the mechanical behavior.