Etude des propriétés mécaniques et de rupture d'un biocomposite à base de particules de coquillages de mer élaboré par fabrication additive

Study of the Mechanical Properties and Fracture Behavior of a Biocomposite Made from Sea Shell Particles Developed through Additive Manufacturing

• Auteur / Autrice : Anissa Khalifa
• Direction : Abdellatif Imad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 22/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Mécanique de Lille - Joseph Boussinesq
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Panier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Herbelot, Toufik Kanit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien Alix, Gisèle Laure Nana Koumtoudji Lecomte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plan d'expérience

Rupture

Propriétés mécaniques

Acide polylactique

Recyclage

Coquillages

Mots clés libres

Biocomposites -- Propriétés mécaniques -- Rupture

Fabrication additive

Biocomposites

Seashells

Pla

Additive Manufacturing

Fracture

Experimental Design

Résumé

Des filaments de biocomposites PLA chargés de particules de coquillages de mer (Huître et Moule) ont été réalisés par extrusion avec quatre taux de fraction massique de particules (5%, 10%, 15%, 20%) de granulométrie inférieure à 160 microns. Ces filaments ont été utilisés pour la fabrication additive (FA) en dépôt fondu (Fused Deposition Modeling FDM) d'éprouvettes. Des essais de caractérisation thermiques et mécaniques ont été réalisés pour comprendre le comportement de ces filaments avant leur utilisation en impression. Des observations tomographiques par rayon X mettent en évidence la distribution des particules de coquillages de mer dans la matrice PLA. Des observations de faciès de rupture par microscope sont présentées. Enfin, des analyses thermogravimétriques sont réalisées et analysées.Une stratégie d'impression a été développée pour étudier l'effet des paramètres d'impression, tels que l'angle de remplissage, l'épaisseur de couche, la température d'impression et la vitesse d'impression, sur les propriétés mécaniques des biocomposites. L'objectif a permis d'identifier les paramètres optimaux permettant d'obtenir les meilleures propriétés mécaniques sur les éprouvettes haltères (norme ASTM D638) imprimées Les résultats obtenus révélent une dispersion significative, notamment en ce qui concerne la déformation à la rupture. Une étude de la rupture sur éprouvettes SENT (Single Edge Notched Tension) imprimées avec deux angles de remplissage différents (+45/-45°, 0°/90°) a été réalisée pour déterminer la ténacité des biocomposites fabriqués en couplant les essais de traction monotone avec la méthode de corrélation d'images numériques (CIN). Cette approche a permis d'obtenir une meilleure compréhension des comportements mécaniques des biocomposites et de caractériser leur résistance à la rupture.

Filaments of PLA biocomposites loaded with seashell particles (Oyster and Mussel) were produced by extrusion with four mass fraction rates of particles (5%, 10%, 15%, 20%) with particle sizes less than 160 microns. These filaments were used for additive manufacturing (AM) in Fused Deposition Modeling (FDM) of test specimens. Thermal and mechanical characterization tests were conducted to understand the behavior of the filaments before their use in printing. X-ray tomographic observations highlight the distribution of seashell particles in the PLA matrix. Microscope observations of fracture surfaces are presented. Finally, thermogravimetric analyses are performed and analyzed.A printing strategy was developed to study the effect of printing parameters such as infill angle, layer thickness, printing temperature, and printing speed on the mechanical properties of the biocomposites. The objective was to identify the optimal parameters for obtaining the best mechanical properties on printed dumbbell-shaped specimens (ASTM D638 standard). The results obtained reveal significant dispersion, especially in terms of elongation at break. A fracture study on SENT (Single Edge Notched Tension) specimens printed with two different infill angles (+45/-45°, 0°/90°) was conducted to determine the toughness of the biocomposites by coupling monotonic tensile tests with Digital Image Correlation (DIC) method. This approach provided a better understanding of the mechanical behaviors of the biocomposites and characterized their fracture resistance.