Biocomposites à fibres longues pour la fabrication additive : Développement et optimisation

Long fiber biocomposites for additive manufacturing : Development and optimization

• Auteur / Autrice : Xikun Wu
• Direction : Samir Allaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, structures
• Date : Soutenance le 28/05/2025
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux (ITheMM) - EA 7548
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Vivet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samir Allaoui, Hakim Boudaoud, Antoine Le Duigou, Joseph Paux, Geoffrey Ginoux, Xavier Dreux, Peng Wang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hakim Boudaoud, Antoine Le Duigou
• DOI : 10.70675/13163392z4fc7z46f8z98f6zf2d042533446

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Composites à fibres

Fibres végétales

Analyse d'impact sur l'environnement

Éco-matériaux

Impression 3D

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Simulation par ordinateur

Biens intermédiaires

Extrusion (mécanique)

Fibres naturelles

Mots clés libres

Fabrication additive

Biocomposite

Fil continu

Procédé-Structure-Propriété

Caractérisation

Modélisation

Additive manufacturing

Biocomposite

Continuous yarn

Process-Structure-Property

Characterization

Modeling

Résumé

Le développement de la fabrication additive (FA) est devenu un enjeu majeur, notamment pour la production de composites renforcés avec des fibres longues ou continues alliant les avantages de la FA et les performances des composites. Cependant, les solutions à base de fibres végétales, combinant de bonnes propriétés et une faible empreinte environnementale, sont peu étudiées et maîtrisées et souffrent d’un manque de disponibilité de matériaux adaptés sur le marché. Cette thèse, qui s’inscrit dans le cadre de la chaire industrielle Matériaux architecturés (MATUR), vise à apporter une contribution à lever ces limitations à travers ses trois objectifs : i) développer et optimiser des matériaux composites biosourcés pour et par la FA, de la formulation à l’impression, en passant par l’élaboration de semi-produits, ii) Caractériser la morphologie et les propriétés mécaniques en traction des composites et identifier les relations procédé-structure-propriété, et iii) Développer des modèles numériques robustes pour simuler les procédés et prédire le comportement des composites. Les résultats obtenus avec les deux approches d’impression utilisées ont montré une influence significative des procédés et leurs paramètres sur la morphologie et les performances mécaniques des biocomposites, à la fois lors de l’élaboration des semi-produits par extrusion/enrobage et lors de la FA du matériau. La nature torsadée du fil en fibres naturelles a aussi montré un effet sur la qualité des interfaces développées et donc le comportement induit. Les simulations du procédé et des matériaux imprimés ont par la suite permis de reproduire les niveaux de gauchissement en fonction des matériaux.

The development of additive manufacturing (AM) has become a major challenge, particularly to produce composites reinforced with long or continuous fibers, combining the advantages of AM with the performance of composites. However, solutions based on plant fibers, which offer good properties and a low environmental footprint, are underexplored and not well-controlled, mainly due to the lack of suitable materials available on the market. This thesis, which is part of the Matériaux Architecturés (MATUR) industrial chair, aims to contribute to overcoming these limitations through its three main objectives: i) to develop and optimize bio-based composite materials for and by AM, from formulation to printing, including the development of semi-products; ii) to characterize the morphology and tensile mechanical properties of the composites, and to identify the process-structure-property relationships; and iii) to develop robust numerical models to simulate the processes and predict the behavior of the composites. The results obtained with the two printing approaches used showed a significant influence of the processes and their parameters on the morphology and mechanical performance of the biocomposites, both during the development of the semi-products by extrusion/coating and during the AM of the material. The twisted nature of the natural fiber filament also showed an effect on the quality of the interfaces developed, and thus on the induced behavior. The simulations of the process and the printed materials subsequently allowed the reproduction of warping levels depending on the materials.