Les effets de la température lors de la fabrication additive par FDM de composites thermoplastiques renforcés et leurs propriétés mécaniques

La Fabrication Additive se développe rapidement dans de nombreux domaines, allant du médical à l'aérospatial, car elle permet la fabrication de pièces aux formes complexes, difficilement réalisables par les méthodes conventionnelles. Cependant, les pièces obtenues, notamment avec la technologie de fabrication par déposition de filaments fondus (FDM), ne sont pas encore aussi performantes que souhaitées. En effet, le procédé implique une perte en propriétés mécaniques comparée à la matière première utilisée, qui plus est limitée aux thermoplastiques. Avec la maturité des matériaux composites, le renforcement des filaments permet d'améliorer ses propriétés et des efforts sont réalisés afin de maîtriser au mieux la technologie. D'autre part, des thermoplastiques hautes températures, résistants à des températures plus élevées que les plastiques techniques, sont désormais disponibles sous forme de filaments. Le défi d'obtenir par FDM des pièces fonctionnelles et idéalement capables de garder de bonnes propriétés à hautes températures, comme le requiert le secteur de l'aéronautique, reste à relever. Ce mémoire présente d'abord une étude de l'effet d'une élévation de la température environnementale d'impression sur les propriétés mécaniques des pièces obtenues à partir d'un thermoplastique et de composite-thermoplastiques. Des filaments de plusieurs teneurs massiques en deux types de fibres de carbones courtes, des milled (m-CF) et des chopped (c-CF), ont été utilisés pour imprimer des éprouvettes dans deux configurations, l'une avec une orientation des filaments dans le sens de la longueur (FL) et l'autre dans la largeur (FW). Une chambre chauffante a permis d'imprimer à une température modérée (35°) et à des températures plus élevées (50°C et 60°C), et des tests en traction assistés par corrélation d'images digitales ont été réalisés. Des gains de 36%, 34% et 68% sur le module d'Young (E), la résistance élastique (σY) et la résistance ultime en traction (Su), respectivement, ont été obtenus en chauffant à 35°C lors de l'impression des échantillons de configuration FW en Nylon renforcé à 35% de fibres m-CF. Chauffer aux plus hautes températures a permis des gains légèrement supérieurs et une meilleure reproductibilité des propriétés. Une tendance similaire a été relevée avec un filament renforcé à 40% des mêmes fibres, ce qui n'a pas été le cas avec du Nylon pur. Les effets de la teneur et du type de fibres sur les propriétés mécaniques ont aussi été étudiés. Les meilleures performances ont été obtenues sur les échantillons imprimés en configuration FL avec le filament de Nylon renforcé à 35% de c-CF, soient les plus longues.

Abstract

Additive Manufacturing is rapidly developing in many fields ranging from medicine to aerospace because it allows the manufacture of parts with complex shapes not easily realizable by conventional methods. However, the parts obtained, in particular by Fused Deposition Modeling (FDM), are not yet as efficient as desired, since the process involves a loss of mechanical properties compared to the raw material used, furthermore limited to thermoplastics. With the maturity of composite materials, filaments reinforcement makes it possible to enhance its properties and efforts are made in order to better master the technology. Besides, high temperature thermoplastics, which are more resistant at higher temperatures than technical plastics, are now available as filaments. The challenge of obtaining by FDM functional parts and ideally capable of maintaining good properties at high temperatures, as required in aeronautics, remains to be taken. This master's thesis first presents a study on the effect of an increase in the environmental printing temperature on the mechanical properties of parts obtained from thermoplastics and reinforced thermoplastic-based composites. Filaments of several weight contents of two short carbon fiber types, milled (m-CF) and chopped (c-CF), were used to print test specimens in two configurations, one with filament orientation in the direction of the length (FL) and the other in the width (FW). A heated chamber allowed printing at a moderate temperature (35 °) and higher temperatures (50 ° C and 60 ° C) and tensile tests assisted by digital images correlation were performed. Gains of 36%, 34% and 68% on Young modulus (E), yield strength (σY) and ultimate tensile strength (Su), respectively, were obtained by heating at 35 ° C upon printing of specimens with the 35% m-CF reinforced Nylon in FW configuration. Heating at higher temperatures allowed slightly higher gains and improved reproducibility of properties. A similar trend was observed with a filament reinforced to 40% of the same fibers, which was not the case with neat Nylon. The effects of contents and type of fibers on the mechanical properties have also been studied. The best performances were obtained on the samples printed in the FL configuration with the 35% c-CF reinforced Nylon filament, so the one reinforced with the longest fiber and at the highest content.