Ajout de fonctions sur pièces composites par fabrication additive : procédé de dépôt de filament fondu appliqué à des polymères thermostables

Addition of features to composite parts by additive manufacturing : thermostable polymers processed by Fused Filament Fabrication

• Auteur / Autrice : Isciane Caprais
• Direction : Pierre Joyot, Emmanuel Duc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (Bidart, Pyrénées-Atlantiques)
• Jury : Président / Présidente : Jérémie Soulestin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Nassiet, Véronique Michaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Sobotka, Yves Grohens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adhésion (physique)

Prototypage rapide

Thermoplastiques

Mots clés libres

Polymère thermoplastique

Fabrication additive

Adhésion

Additive manufacturing

Adhesion

Thermoplastic polymer

Thermostable polymer

Résumé

Le couplage des procédés de fabrication additive et de drapage automatisé permettrait de concevoir des structures composites plus complexes de façon flexible. Le but de cette thèse est de pouvoir ajouter des fonctions ou renforts (raidisseurs, fixations, etc.) grâce à la fabrication additive par dépôt de filament fondu, sur des pièces composites à matrice thermoplastique obtenues via des procédés de drapage automatisé.La problématique principale concerne la qualité de l'adhésion aux différentes interfaces : entre les couches imprimées, et entre le substrat composite et la fonction ajoutée. La résistance des liaisons créées détermine l'intégrité et les propriétés mécaniques finales de la fonction imprimée et de l'assemblage avec la pièce composite initiale. Cette dernière est composée d'une matrice PEEK renforcée en fibres carbone continues. Deux polymères thermostables ont été choisis pour l'ajout de fonctions : l'AM 200, un PAEK développé par Victrex, et l'Ultem 9085, polymère à base de PEI. Le développement de l'adhésion dépend de la coalescence de la matière fondue et de la diffusion des chaînes moléculaires à travers l'interface. Les deux étant tributaires de la thermique, la rhéologie et les cinétiques de fusion et cristallisation pour les polymères semi-cristallins.La première partie du travail concerne la cohésion entre cordons dans la pièce imprimée en travaillant sur l'ajustement des paramètres d'impression pour maitriser l'histoire thermique de la matière et donc sa morphologie inter et intramoléculaires. L'impact de la température d'extrusion, la température de la chambre d'impression et la vitesse d'extrusion est quantifié lors de la fusion inter-cordons de l'AM 200 et de l'Ultem 9085. Les paramètres de sortie étudiés sont le suivi par thermocouple de la température d'un cordon pendant son dépôt et la porosité des pièces imprimées représentatif d'une fusion partielle. Pour ce faire, de nombreuses configurations sont définies selon un plan d'expérience complet à 3 facteurs et 3 niveaux par facteur. Des essais de flexion 3 points particuliers sont réalisés pour déterminer la résistance entre deux cordons au sein d'une même couche, mais aussi entre couches successives. L'exploitation des données thermiques ainsi que des demi-temps de cristallisation de l'AM 200 PAEK permet d'en déduire une microstructure et un état dans le développement de l'adhésion entre les cordons à deux niveaux d'interfaces, afin d'expliquer les résultats observés en flexion. La cinétique de cristallisation de l'AM 200 PAEK et certaines configurations d'impression rendent possible l'inter-diffusion des chaînes macromoléculaires aux interfaces entre cordons, avant la cristallisation du matériau. La résistance inter-cordons est optimisée et il est possible d'obtenir une résistance globale de la pièce supérieure à celle d'un PEEK injecté.La deuxième partie est consacrée à l'optimisation de l'adhésion entre la fonction imprimée et la pièce composite. Une tête d'impression montée sur un bras robotisé est utilisée pour imprimer les polymères sur les pièces. Des pistolets à air chaud permettent d'apporter l'énergie thermique nécessaire à l'impression de polymères thermostables. Différentes températures et vitesses d'impression sont utilisées pour imprimer les éprouvettes en leur donnant une histoire thermique différente. Des essais de clivage asymétrique sont utilisés pour caractériser la résistance à la fracture à l'interface. Plus on se rapproche de la température de fusion des matériaux à l'interface, plus la résistance de la soudure est meilleure. L'utilisation d'un traitement plasma de la plaque composite permet d'améliorer la tenue de l'assemblage avant décollement.L'ensemble de ces travaux permettent de définir une fenêtre de paramétrage du procédé optimisée pour maximiser l'adhérence aux interfaces sans compromettre la qualité de la fonction imprimée.

The coupling of additive manufacturing and automated draping processes would allow to design more complex composite structures in a flexible way. The aim of this thesis is to add functions or reinforcements (stiffeners, fasteners, etc.) through additive manufacturing by fused filament deposition, on thermoplastic matrix composite parts obtained through automated draping processes.The main problem concerns the quality of adhesion at the different interfaces: between the printed layers, and between the composite substrate and the added function. The strength of the bonds created determines the integrity and the final mechanical properties of the printed function and the assembly with the initial composite part. The latter is composed of a PEEK matrix reinforced with continuous carbon fibers. Two thermostable polymers were chosen for the feature addition: AM 200, a PAEK developed by Victrex, and Ultem 9085, a PEI-based polymer. Adhesion development depends on coalescence of the melt and diffusion of molecular chains across the interface. Both being dependent on the thermal, rheology, melting and crystallization kinetics for semi-crystalline polymers.The first part of the work concerns the cohesion between strands in the printed part by working on the adjustment of the printing parameters to control the thermal history of the material and thus its inter and intramolecular morphology. The impact of the extrusion temperature, the printing chamber temperature and the extrusion speed is quantified during the inter-strand fusion of AM 200 and Ultem 9085. The output parameters studied are the thermocouple monitoring of the temperature of a bead during its deposition and the porosity of the printed parts representative of a partial coalescence. For this purpose, many configurations are defined according to a complete experimental design with 3 factors and 3 levels per factor. Specific 3-point bending tests are performed to determine the strength between two beads within the same layer, but also between successive layers. The exploitation of the thermal data as well as the crystallization half-time of AM 200 PAEK allows to deduce a microstructure and a state in the development of the adhesion between the beads at two levels of interfaces, in order to explain the results observed in flexion. The crystallization kinetics of AM 200 PAEK and certain printing configurations make possible the inter-diffusion of macromolecular chains at the interfaces between beads, before the crystallization of the material. The inter-strand strength is optimized and it is possible to obtain an overall strength of the part superior to that of an injected PEEK.The second part is dedicated to the optimization of the adhesion between the printed function and the composite part. A print head mounted on a robotic arm is used to print the polymers onto the parts. Hot air guns are used to provide the thermal energy needed to print thermostable polymers. Different temperatures and printing speeds are used to print the specimens giving them a different thermal history. Asymmetric cleavage tests are used to characterize the fracture resistance at the interface. The closer to the melting temperature of the materials at the interface, the better the strength of the weld. The use of a plasma treatment of the composite plate allows to improve the strength of the assembly before debonding.All this work allows us to define a process parameterization window optimized to maximize the adhesion at the interfaces without compromising the quality of the printed function.