Bio-composites 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 : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, structures
• Date : Inscription en doctorat le 06/12/2021
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Caractérisation

Bio-composite

Fabrication additive

Modélisation

Modelling

Bio-composite

Additive manufacturing

Characterization

Résumé

Le développement des matériaux issus des procédés de fabrication additive (FA) pour concevoir des produits fonctionnels et intelligents est un enjeu majeur depuis quelques années. La fabrication additive permet aujourd'hui, grâce à la disponibilité des imprimantes 3D adaptées et des matériaux associés, la réalisation de pièces complexes en matériaux composites renforcés avec des fibres. Cela permet d'allier les avantages de la FA et les performances mécaniques des composites à fibres longues. En particulier, les composites biosourcés ont suscité un fort intérêt ces dernières années en raison de leur fort potentiel applicatif lié à leurs propriétés mécaniques spécifiques intéressantes (mécaniques, acoustiques, isolation, …) associées avec une empreinte environnementale réduite. Néanmoins, la démocratisation et l'accroissement de l'utilisation de la fabrication additive restent conditionnés à la levée de verrous technologiques et scientifiques inhérents à la jeunesse de ces nouveaux procédés de fabrication. En l'état actuel, le manque de maitrise du triptyque Matériaux/Procédés/Propriétés d'usage et les difficultés d'accès à des filaments adaptés freinent l'utilisation de ces matériaux dans un cadre industriel. Le développement d'une approche allant de la fabrication du filament au matériau imprimé et garantissant de bonnes propriétés d'usage pour le matériau final est nécessaire pour surpasser ces difficultés. A cet effet, on se propose de développer, dans ce projet doctoral, une méthode de conception et de modélisation de matériaux composites biosourcés à fibres longues en traitant l'ensemble du procédé, de la fabrication du filament jusqu'au matériau final. Ce travail de thèse se décomposera suivant les 3 axes suivants : • Développement et optimisation de filaments du composite biosourcé ; • Caractérisation et optimisation du matériau (jusqu'aux propriétés d'usage) et du procédé ; • Modélisation multi-échelle et multiphysique du matériau et du procédé. Ce projet doctoral s'inscrit dans le cadre des activités de la chaire industrielle Matériaux architecturés (MATUR) cofinancée par la région Grand Est. Plus spécifiquement, il s'inscrit dans le cadre des actions initiées autour de la structuration d'un axe transversale sur la fabrication additive au sein du l'unité de recherche ITheMM. Ces actions visent à créer une synergie entre les trois équipes de l'unité qui disposent de compétences complémentaires mais nécessaires pour traiter les problématiques multiphysiques en lien avec la fabrication additive.

The development of smart materials obtained with Additive Manufacturing (AM) processes to is a major issue in recent years. Additive Manufacturing allows, thanks to the availability of suitable 3D printers and associated materials, the production of complex parts with fibers reinforced composites. This combines the advantages of AM with the mechanical performance of long fiber composites. In particular, Bio-based composites have aroused strong interest in recent years due to their strong application potential linked to their interesting specific mechanical properties (mechanical, acoustic, insulation, etc.) associated with a low environmental footprint. Nevertheless, expanding the use of additive manufacturing remain conditioned on the lifting of technological and scientific locks inherent in the youth of these new processes. In the current state, the lack of mastery of the triptych Materials / Processes / Properties of use and the difficulties of access to suitable filaments hamper the use of these materials in an industrial setting. The development of an approach from manufacturing the filament to the printed material and ensuring good wearing properties for the final material is necessary to overcome these difficulties. To this end, this Phd aims to develop a method for the design and modeling of long-fiber bio-based composite materials by treating the entire manufacturing process: from the manufacture of the filament to the final material. This thesis work will be broken down into the following 3 axes: • Development and optimization of biobased composite filaments. • Characterization and optimization of the material (down to the properties of use) and of the process. • Multi-scale and multiphysics modeling of the material and the process. This doctoral project is part of the activities of the Chair “Architectured Materials” (MATUR) co-funded by the Grand Est French region. More specifically, it is part of the actions initiated around the structuring of a transversal axis on additive manufacturing within the ITheMM research unit. These actions aim to create a synergy between the three teams of the unit who have complementary but necessary skills to deal with multiphysics issues related to additive manufacturing.