Modélisation et simulation multiphysique du procédé de fabrication additive par dépôt à l’état fondu

Modeling and multiphysics simulation of the additive manufacturing process by fused deposition modeling (FDM)

• Auteur / Autrice : Anh-Duc Le
• Direction : Jérémie Soulestin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/03/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMT Lille Douai - IMT Nord Europe
• Jury : Président / Présidente : Gilles Régnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : André Chateau Akué Asseko, France Chabert, Benoît Cosson, Philippe Le Masson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luisa Alexandra Rocha da Silva, Fabrice Schmidt

Mots clés

Mots clés libres

Fabircation additive

Dépôt à l'état fondu

Polymère

Modélisation multiphysique

Simulation numérique

Méthode Level Set

Additive manufacturing

Fused deposition modeling

Polymer

Multiphysics modeling

Numerical simulation

Level Set method

Résumé

La fabrication additive par dépôt de polymère à l’état fondu permet la réalisation de pièces plastiques complexes sans nécessiter l’utilisation d’un outillage. C’est à ce titre un procédé de plasturgie original qui permet de passer très rapidement de l’idée à la pièce et donc d’accélérer les temps de développement et suscite un grand intérêt industriel. Afin d’optimiser le procédé, la simulation numérique s’impose de plus en plus comme une alternative économique pour remplacer les expériences répétées, qui sont toujours coûteuses en termes de prix et de temps. Dans ce travail, nous proposons un outil numérique permettant une simulation complète de ce procédé. L’approche repose sur un couplage de la mécanique des fluides et du transfert thermique par une méthode Level-Set permettant de simuler les différents phénomènes physiques mis en jeu lors du procédé (i.e. écoulement, coalescence, refroidissement, consolidation, etc.). L’écoulement du polymère fondu est modélisé comme un écoulement monophasique avec une surface libre. Dans un premier temps, un code maison de Level Set a été développé permettant de capturer avec précision l’évolution de la surface libre. Dans un second temps, le modèle de couplage a été implémenté dans un code de calcul à l’aide du module LiveLink pour Matlab du logiciel COMSOL Multiphysics. L’effet de variations des paramètres du procédé sur l’état final de la pièce imprimée a été examiné. Les propriétés rhéologiques du matériau utilisé sont mesurées à l'aide d'un rhéomètre rotatif. Le modèle numérique est validé à l’aide de mesures de micrographies optiques d’échantillons imprimés sur une imprimante de laboratoire. Le modèle numérique possède un grand potentiel de modélisation et d’optimisation du processus de fabrication additive par dépôt de polymère à l’état fondu.

Additive manufacturing of the polymers through Fused Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF) process allows the production of complex plastic parts without using tools. This is such an original plastic processing which makes it possible to pass very quickly from the ideas to the products, thus accelerating the time of development, and arousing great industrial interest. In order to optimize the process, numerical simulation is increasingly becoming an economical alternative to replace repeated experiments, which are always costly and time-consuming. The approach is based on a coupling of fluid mechanics and heat transfer by a Level Set method, which allows to simulate of different physical phenomena involved during the process (i.e. flow, coalescence, cooling, consolidation, etc.). The polymer melt flow is treated as a single-phase flow with a free surface. As a first step, an in-house Level Set code was developed to accurately capture the evolution of the free surface. In a second step, the coupling model was implemented in a computational code using the LiveLink for Matlab of COMSOL Multiphysics software. The effect of variations in process parameters on the final printed part was examined. The rheological properties of the material used are measured by a rotary rheometer. The numerical model is validated using optical micrograph measurements of samples printed by a laboratory printer. The numerical model shows great potential for modeling and optimizing the additive manufacturing process.