Impression 3D de matériaux dédiés à la construction : De la définition des encres, maîtrise de l’impression à la performance des produits imprimés

3D printing of materials dedicated to construction : From the definition of inks, control of printing to the performance of printed products

• Auteur / Autrice : Abdeslam Benamara
• Direction : Yannick Melinge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil / L2MGC
• Jury : Président / Présidente : Catherine A. Davy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Melinge, Arnaud Perrot, Geert De Shutter, Abdelhak Kaci, Ammar Yahia, Alexandre Pierre, Sandrine Mansoutre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Perrot, Geert De Shutter, Abdelhak Kaci

Mots clés

Mots clés libres

Imprimante 3D dédiée à la construction

Encres minérales

Rhéologie

Qualité d'impression

Stabilité d'impression

Propriétés mécaniques des formes imprimées

3D printer dedicated to construction

Mineral inks

Rheology

Print quality

Print stability

Mechanical properties of printed shapes

Résumé

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont conduit à l’élaboration d’équipements d’impression 3D de grande échelle : La première est une solution de type portique (BK3D du L2MGC) configurée et optimisée pour imprimer par superposition de couches. Pour cette machine entièrement développée au laboratoire, nous nous sommes particulièrement concentrés par ailleurs sur des améliorations du système d’élévation selon l’axe vertical Z et sur la tête d’impression. La seconde, toujours en cours de développement actuellement permet d’envisager des perspectives à court terme en impression par liaison sélective. Ensuite, pour ce type de problématique, nous avons été amenés à revisiter une méthodologie de travail combinant un travail de formulation, de caractérisation des propriétés rhéologiques des produits frais résultants et de mise en adéquation avec le procédé d’impression. En se concentrant principalement sur des matériaux à base cimentaire, l’optimisation des propriétés rhéologiques fiabilise la formulation d’un produit qui est confrontée à l’influence des paramètres de fonctionnement de l’imprimante BK3D. Pour cette partie du travail, des valeurs limites ont été ciblées, ce qui a permis de repérer notamment, la vitesse d’extrusion minimale de blocage à 0,6 tr.min-1 au-delà de laquelle la migration du fluide interstitiel contenu dans le mortier s’amorce créant un blocage au niveau de la buse. L’identification de paramètres clés entre procédé et rhéologie nous a permis d’imprimer des formes dites classiques mais nous avons surpassé des difficultés pour imprimer une forme innovante d’éprouvette permettant de gagner 20% en volume comparée à une éprouvette cylindrique standardisée en résolvant des problèmes de stabilité structurelle et de stabilité d’impression. Au-delà de l’impression de formes classiques, une partie des travaux ont été consacrés à l’impression d’une forme complexe présentant une importante porte à faux en recourant à un fluide support élasto-viscoplastique. La démarche employée se positionne à nouveau dans un contexte d’interaction formulation/rhéologie/processus auquel s’ajoute l’optimisation des propriétés de la suspension porteuse. Enfin, une dernière partie des travaux est dédiée à l’identification de quelques propriétés mécaniques des produits imprimés à l’état durci. Un cadre méthodologique a pu être mis au point afin de qualifier les performances d’objets.

The works carried out within the framework of this thesis has led to the development of large-scale 3D printing equipment: The first is a gantry-type solution (BK3D from L2MGC) configured and optimised for printing by superposition of layers. For this machine, which was entirely developed in the laboratory, we focused in particular on improvements to the vertical Z-axis elevation system and the print head. The second machine, which is still under development, offers short-term prospects for selective binding printing. Then, for this type of problem, we were led to revisit a work methodology combining formulation work, characterisation of the rheological properties of the resulting fresh products and matching with the printing process. Focusing mainly on cementitious materials, the optimisation of the rheological properties makes the formulation of a product more reliable, which is confronted with the influence of the operating parameters of the BK3D printer. For this part of the work, limit values were targeted, which made it possible to identify, in particular, the minimum blocking extrusion speed at 0.6 rpm, beyond which the migration of the interstitial fluid contained in the mortar begins, creating a blockage at the nozzle. The identification of key parameters between process and rheology allowed us to print so-called classical shapes but we overcame difficulties to print an innovative shape of specimen allowing us to gain 20% in volume compared to a standardised cylindrical specimen by solving problems of structural stability and printing stability. In addition to the printing of classic shapes, part of the work was devoted to the printing of a complex shape with a large overhang using an elasto-viscoplastic support fluid. The approach used is again positioned in a context of formulation/rheology/process interaction, to which is added the optimisation of the properties of the carrier suspension. Finally, the last part of the work is dedicated to the identification of some mechanical properties of printed products in the cured state. A methodological framework was developed to qualify the performance of objects.