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Fabrication additive de composites à hautes performances mécaniques et thermomécaniques par fabrication de filament fondu : formulation, procédés et caractérisation

Yahya Abderrafai

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Abstract There is a growing interest in additive manufacturing technologies, due to the new possibilities and advantages they offer, especially for low-volume production. Among these technologies, the Fused Filament Fabrication (FFF) is one of the few capable of shaping polymer matrix composites, which are increasingly used due to their specific mechanical properties. However, the adoption of FFF in industry is minimal, mainly because of the weak mechanical performance observed in the parts printed with this method, as well as the manufacturing time. This thesis aims to produce FFF-printed composites exhibiting better mechanical performance than what is currently available. This work combines the formulation of specialized composite mixtures, mechanical and microscopic characterization of the materials, and the use of mechanical behavior prediction tools. This study sheds light on the influence of various parameters related to the manufacturing process and material formulation on mechanical performance. First, a literature study identifies the strengths and weaknesses of the FFF technology and of the composites used until now, as well as the possible ways of developing higher stiffness and resistance. Formulation and fabrication works are then carried out on polyamide matrix composites, showing the effects of carbon fiber types and concentrations, fiber sizing, environmental temperature, and printing direction on the resulting mechanical properties. The result includes some of the highest stiffness and strength observed to date among this class of materials, with a Young's modulus of 8.8 GPa and a yield strength of 90 MPa. As polyamides are not very resistant to high temperatures, another formulation work is presented, this time using a PEEK/PEI blend for high-temperature applications, comparing the effect of carbon fibers, test temperature, and injection molded versus FFF-printed specimens. This study presents a new material for FFF with almost unchanged stiffness up to 120 °C, a Young's modulus of 17.9 GPa, and a strength of 129 MPa, some of the highest results from FFF-printed composites. These two studies also highlight the interaction between microscopic and mesoscopic architectures and mechanical behavior. A discussion is also put forward, highlighting the observed limitations as well as future improvements to unlock the use of FFF-printed composites in the transportation industry, for example for nacelles, sandwich structures, mounting brackets, or acoustic components.

Résumé

Résumé On observe un intérêt croissant pour les technologies de fabrication additive du fait des nouvelles possibilités et des avantages engendrés, surtout pour la production de pièces à petites séries. Parmi ces technologies, la Fabrication par Filament Fondu (FFF) est une des rares qui soit capable de mettre en forme des composites à matrice polymères, une classe de matériaux à l’utilisation grandissante en raison de leurs propriétés mécaniques spécifiques. L’adoption de la FFF pour la production en industrie est néanmoins peu avancée, principalement à cause des faibles performances mécaniques observées dans les pièces imprimées avec cette méthode, ainsi que du temps de fabrication. Cette thèse a pour but de produire des matériaux composites imprimés en FFF avec de meilleures performances mécaniques que ce qui est actuellement disponible sur le marché. Ce travail repose sur la combinaison de formulation de mélanges composites ajustés, la caractérisation mécanique et microscopique des matériaux et l’utilisation d’outils de prédiction de comportement mécanique. Le résultat permet de comprendre l’influence de divers paramètres liés à la fabrication additive et aux matériaux sur les performances mécaniques des matériaux imprimés. En premier lieu, une étude de la littérature permet d’identifier les points forts et faiblesses de la technologie FFF et des matériaux composites utilisés jusqu’à présent, ainsi que les possibles pistes de travail pour obtenir de plus hautes rigidités et résistances. On réalise ensuite un travail de formulation et de fabrication portant sur des composites à matrice polyamide, montrant les effets des types de fibres de carbone et de leurs concentrations, de l’ensimage des fibres, de la température environnementale ainsi que de la direction d’impression. Le résultat comprend parmi les plus hautes rigidités et résistances observées à ce jour parmi cette classe de matériaux, avec un module d’Young à 8.8 GPa et une limite à la rupture de 90 MPa. Les polyamides n’étant pas très résistants aux hautes températures, un autre travail de formulation est présenté, cette fois en utilisant un mélange PEEK/PEI pour des applications à haute température, comparant les effets des fibres de carbone, de la température de l’essai ainsi qu’une comparaison entre échantillons obtenus par injection et par impression FFF. Cette étude présente un nouveau matériau pour la FFF avec une rigidité presque inchangée jusqu’à 120 °C, et avec un module d’Young de 17.9 GPa et une résistance de 129 MPa, parmi les plus élevées des composites à fibres courtes imprimés par FFF. Ces deux études mettent aussi en lumière l’interaction entre les architectures microscopique et mésoscopique, et ainsi que le comportement mécanique. Une discussion est aussi proposée, mettant en exergue les limitations observées, notamment du procédé de mélange et de l’équipement FFF disponible, ainsi que des pistes d’améliorations futures permettant de déverrouiller l’utilisation de composites imprimés par FFF dans l’industrie des transports, par exemple pour les nacelles, des panneaux sandwichs, des supports de montage ou des composants acoustiques.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Daniel Therriault and Martin Lévesque
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10685/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 03 Mar 2023 15:01
Last Modified: 05 Apr 2024 22:01
Cite in APA 7: Abderrafai, Y. (2022). Fabrication additive de composites à hautes performances mécaniques et thermomécaniques par fabrication de filament fondu : formulation, procédés et caractérisation [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10685/

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