Méthodologie d'analyse de performance multi-critère pour outiller la prise de décision sur la fabrication additive de pièce en polyamide renforcé par fibres de carbone

Multi-criteria performance analysis methodology for decision-making on additive manufacturing of carbon fibre-reinforced polyamide parts

• Auteur / Autrice : Thibault Le Gentil
• Direction : Olivier Kerbrat, Daniel Therriault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie mecanique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....) en cotutelle avec Polytechnique Montréal (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Pour l'Ingénieur (Lorient ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Rennes ; 2013-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipe Etat Mécanique et Microstructure (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Agard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samira Keivanpour, Frédéric Segonds
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Agard, Frédéric Demoly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres de carbone

Estimation de paramètres

Coût de production

Consommation d'énergie

Composites

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Matériaux composites

Consommation énergétique

Coût de fabrication

Performance mécanique

Analyse multi-critère

Additive manufacturing

Composite material

Energy consumption

Cost model

Mechanical performance

Multi criteria analysis

Résumé

Les technologies de fabrication additive (FA) ont transformé la fabrication en offrant un meilleur contrôle sur le dépôt de matériaux. En raison de sa polyvalence et de son rapport résistance/masse élevé, la fabrication additive de matériaux composites a connu une croissance exponentielle, ouvrant la voie à de nombreuses applications dans l’industrie. Une poursuite de la mise en œuvre efficace de la FA des matériaux composites nécessiterait une prise en compte des aspects économiques, énergétiques et techniques du procédé de fabrication. À ce titre, les paramètres de fabrication sont la pierre angulaire qui lie ces différents aspects. Dans l’objectif d’outiller la prise de décision des utilisateurs de la FA de matériaux composites, ce manuscrit présente une méthodologie d’analyse de performance multi-domaine, en partant du cas spécifique du dépôt de fil fondu de polyamide renforcé par fibres de carbones courtes. Cette méthodologie en trois grandes étapes, accompagne la prise en main d’un nouveau couple machine/matériau, développe des outils de modélisation économique, technique et énergétique, et enfin, donne un cadre d’analyse multi-critère permettant de sélectionner le jeu de paramètre optimisé. La méthodologie se base sur des travaux expérimentaux d’évaluation de cinq paramètres de fabrication : l’épaisseur de couche, la vitesse de déposition, les températures de buse et de plateau, ainsi que la stratégie de chauffe du plateau.

Additive manufacturing (AM) technologies have transformed manufacturing by offering greater control over the deposition of materials. Due to its versatility and high strength-to-mass ratio, additive manufacturing of composite materials has grown exponentially, founding many applications in industries. Further implementation of composite FA would require evaluation of the economic, energy and technical aspects of the manufacturing process. Manufacturing parameters are the cornerstone that links these different aspects. With the aim of providing users of AM composite materials with decisionmaking tools, this manuscript presents a multidomain performance analysis methodology based on the specific case of Fused Filament Fabrication of short carbon-fiber reinforced polyamide. The methodology is divided into three main stages: it guides the user through a new machine/material pairing, develops economic, technical and energy modeling tools, and finally provides a multi-criteria analysis framework for selecting the optimized set of parameters. The methodology is based on experimental work to evaluate five printing parameters : layer thickness, deposition speed, nozzle and heatbed temperatures, and heatbed heating strategy.