Mécanismes d'écoulement et forme des dépôts dans l'impression 3D en béton

Flow mecanism and filament shape in 3D concrete printing

• Auteur / Autrice : Anatole Geffrault
• Direction : Philippe Coussot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Barentin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Coussot, Catherine Barentin, Arnaud Perrot, Rudy Valette, Jalila Boujlel, Nicolas Ducoulombier, Hela Bessaies-Bey, Nicolas Roussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Perrot, Rudy Valette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton

Rhéologie

Fiabilité

Impression 3D

Mots clés libres

Impression 3D

Rhéologie

Élongation

Ciment

Argile

3D printing

Rheology

Elongation

Cement

Clay

Résumé

Dans le domaine de la construction, l’impression 3D de béton peut être utilisée pour construire des structures aux formes complexes, sans coffrage, et avec une quantité de matière réduite par rapport aux techniques traditionnelles. La technique d’impression 3D classique consiste à extruder puis à déposer un filament de béton sur la couche précédente. Pendant l’étape de dépôt, des instabilités peuvent apparaître, affaiblissant l’ensemble de la structure 3D. Nous avons étudié des instabilités de dépôts linéaires avec un dispositif développé au laboratoire, qui permet de contrôler de manière indépendante la vitesse de sortie du filament et la vitesse de translation de la buse d’impression. Ces expériences contrôlées ont été effectuées sur plusieurs fluides à seuil simples dont le comportement a été bien caractérisé et considéré comme modèle pour le béton. Les paramètres d’impression ont été changés - vitesse de sortie, vitesse de translation, hauteur, diamètre de buse et contrainte seuil - et nous avons observé différents motifs : ligne discontinue, ligne droite, méandres, boucles alternées et boucles translatées. Nous avons ensuite démontré que deux paramètres adimensionnels décrivent complètement les conditions d’apparition des motifs : V* le rapport de la vitesse de translation sur la vitesse de sortie, et H* le rapport de la hauteur sur le diamètre de la buse. Nous avons en plus fait des analyses théoriques expliquant la transition entre les motifs, ce qui a complété notre compréhension de l’impact des paramètres d’impression sur les formes et les instabilités des dépôts. Nous avons aussi développé des méthodes d’analyses d’images, permettant une étude détaillée de la rupture gravitaire d’un filament de fluide à seuil. Nous avons démontré que l’analyse de cette rupture permet de faire de la rhéométrie en élongation. De cette analyse, nous avons obtenu des courbes d’écoulement élongationnelles de fluides à seuil simples, et nous avons proposé un test simple pour obtenir le seuil par la mesure de la masse d’un extrudat. Ce travail permet de comprendre comment un filament se dépose dans l’impression 3D pour la construction, et aussi pour tout autre domaine utilisant l’impression 3D par extrusion. Il pourra être utilisé pour éviter l’apparition d’instabilités dans le procédé de dépôt, et aussi pour penser de nouvelles stratégies d’impression qui tireraient profit des motifs

In the construction field, 3D concrete printing can be used to build structures that have complex shapes, without formwork and with a smaller amount of material than conventional methods. To do so, the usual technique consists of extruding then depositing a concrete filament on the previous layer. During the deposition step, some instabilities may appear, inducing some weaknesses in the 3D structure. We studied instabilities of linear deposits with a setup developed inside the laboratory that allows for an independent control of the exit speed of the filament and the translation speed of the nozzle. These controlled experiments were carried out on various simple yield stress fluids. Their behavior was well characterized and was considered asmodel for the concrete. The printing parameters were changed – exit speed, translation speed, height, nozzle diameter and yield stress – and we observed various deposition patterns : discontinuous line, straight line, meanders, alternated coils and translated coils. We then demonstrated that two non dimensional parameters fully describe the conditions of appearance of the patterns : V* the ratio of translation speed over exit speed, and H* the ratio of height over nozzle diameter. We concluded with theoretical explanations for the transition between patterns, which completed our understanding of the impact of the printing parameters on the shapes and instabilities of deposits. We also developed image analyses that allowed us for a detailed study of the break-up of a filament of yield stress fluid due to gravity. We demonstrated that the analysis of the break-up makes it possible to perform elongational rheometry. From that, we obtained elongational flow curves of simple yield stress fluids and we proposed a simple test to measure a yield stress by weighing a detached drop of filament. This work provides an understanding on how a filament deposits itself in 3D printing for the construction, and also for any other field using 3D printing by extrusion. It could be used to avoid the appearance of instabilities in the deposition process, but also to think of new printing strategies that would use the patterns