Optimisation des paramètres du procédé de fabrication additive à fusion de filament thermoplastique par microscopie acoustique et essai de traction

Optimization of the fusion additive manufacturing process parameters of the thermoplastic filament by acoustic microscopy and tensile testing

• Auteur / Autrice : Ye Zhi
• Direction : Bruno Serio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
• Date : Soutenance le 04/01/2022
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energétique Mécanique Electromagnétisme (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Gomes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Serio, Samuel Gomes, Pascal Picart, Fabrice Sthal, Jean-Jacques Hunsinger, Danièle Wagner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Picart, Fabrice Sthal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie acoustique

Microscopie acoustique

Défauts

Thermoplastiques

Impression 3D

Mots clés libres

Dépôt de fil fondu (FDM) en thermoplastique

Contrôle non destructif

Microscopie acoustique

Caractérisation des propriétés mécaniques

Image acoustique

Algorithme flot optique

Fused deposition modeling of thermoplastic

Non-destructive testing

Acoustic microscopy

Characterization of the mechanical properties

Acoustic image

Optical flow algorithm

Résumé

L’impression 3D par dépôt de fil fondu est une technique de fabrication additive qui utilise des polymères thermoplastiques pour réaliser des objets. La détermination des paramètres de fabrication optimaux pour le processus de fabrication est complexe en raison de leur grand nombre, (températures de buse et de table, vitesses de dépôt, incréments d'avance en Z, distances entre deux rubans adjacents) qui influencent la qualité et les propriétés mécaniques d’une pièce imprimée. La micro-échographie acoustique est une technique de contrôle non destructive particulièrement adaptée pour l’observation des défauts des surfaces et de la structure interne d’un matériau. Cette méthode est basée sur la propagation d’ondes acoustiques dans le milieu et leur réflexion au sein de l’échantillon en fonction de l’anisotropie des propriétés physiques du matériau. Ces variations de propriétés traduisent les défaut internes à identifier. Le but du travail de thèse est de démontrer les capacités de la micro-échographie acoustique à balayage pour visualiser localement les différences structurelles se produisant dans des échantillons thermoplastiques fabriquées par la technique d’impression 3D par dépôt de fil fondu. L’objectif sous-jacent est de déterminer les paramètres de fabrication optimaux offrant une résistance structurelle proche de celle du matériau à l’état massif. Une première étape de l’étude a été de comparer l’influence des différents paramètres d’impression, tels que vitesse d’impression, température d’extrusion et orientation adoptée du dépôt de filament, sur les propriétés mécaniques d’une éprouvette de traction élaborée par impression 3D lors d’une campagne d’essais de traction. La deuxième partie de l’étude a été consacrée à mettre en œuvre un microscope acoustique à balayage pour réaliser la caractérisation des éprouvettes thermoplastiques en déterminant l’amplitude maximale de l’onde acoustique réfléchie à la surface et en profondeur pour produire une image acoustique 2D aux différentes interfaces des deux premières couches de l’éprouvette étudiée. Le résultat dépend du matériau inspecté dont les propriétés mécaniques varient au niveau des interfaces. Pour déterminer l’influence de la géométrie choisie pour le dépôt et pour caractériser les zones fragilisées, nous proposons également une méthode d’imagerie optique synchrone originale qui a permis d’identifier les zones de déformations maximales durant l’essai de traction.

The technique of fused deposition modeling of the 3D print is an additive manufacturing technique that uses thermoplastic polymers to make objects. Determining the optimum manufacturing parameters for the manufacturing process is complex due to the large number of variables, like nozzle and table temperatures, deposition rates, distance between two adjacent rasters, which can influence the quality and the mechanical properties of a printed objects. Acoustic micro-ultrasound is a non-destructive testing technique particularly suitable for observing the defects in surface and internal structure of a material. This method is based on the propagation of acoustic waves in the medium and their reflection within the sample according to the anisotropy of the physical properties of the material. The variations in properties reflect the internal defects to beidentified.T he aim of this thesis is to demonstrate the capabilities of a scanning acoustic microscopy to visualize locally the structural differences occurring in thermoplastic samples made by the 3D printing techniqueby fused deposition modeling. The objective is to determine the optimum manufacturing parameters providing structural strength close to that of the material in the solid state. The first step of the work was to compare the influence of different printing parameters, such as printing rates, extrusion temperature and adopted orientation of the filament deposit, on the mechanical properties of a tensile test specimen developed by 3D printing during a tensile test campaign. The second part of the work was to apply a scanning acoustic microscopy to characterize the thermoplastic specimens by determining the maximum amplitude of the acoustic wave reflected at the surface and at depth to produce a 2D acoustic image at the different interfaces of the first two layers of the test specimen. The result depends on the inspected material, the mechanical properties of which vary at the interfaces. To determine the influence of the geometry of the specimen and to characterize its weakened zones, we also propose an original synchronous optical imaging method which made it possible to identify the zones of maximum deformation during the tensile test of the specimen. Our results made it possible to establish a list of manufacturing parameters suitable for printing more resistant plastic specimens and confirm the parameters recommended by the manufacturer of the 3Dprint materials. We also demonstrate the ability of the acoustic microscope to monitor the homogeneity of the plastic layers of specimen. The study presents the microscope used as well as its characterization, from the point of view of the resolution of the measurement.