Modeling of the Thermo-mechanical behavior of Additively Manufactured Thermoplastic Composites by means of full-field Numerical Homogenization

Grace à la fabrication additive, des pièces d’une géométrie complexe ayant des caractéristiques internes sont possibles sans avoir recours à des moules. Différents prototypes peuvent donc être rapidement réalisés et testés, et pour des séries limitées, l’absence d’outillage rend cette méthode économiquement avantageuse. Dans une méthode telle que la Fabrication par Filament Fondu (FFF), l’utilisation de polymères thermoplastiques et de renfort sous forme de fibres permet d’améliorer les performances mécaniques des pièces produites. Par contre, elles demeurent en deçà de celles de leurs homologues fabriqués par injection. En outre, le processus d’impression confère un ensemble unique de caractéristiques morphologiques qui rendent les propriétés du matériau difficiles à prédire. Le fait de ne disposer que de données limitées et de nature empiriques sur le comportement mécanique des polymères renforcés de fibres courtes et sur leur relation procédé-structure-propriété constitue un problème pour la modélisation des pièces fabriquées par FFF. Si les concepteurs ne peuvent pas prédire les propriétés élastiques et viscoélastiques, et comment celles-ci sont affectées par les changements de température, ils sont obligés d’utiliser des estimés conservateurs comme substitut, et ils pourront dont pas tenir compte de manière fiable de l’anisotropie de la réponse mécanique. Ces difficultés en termes de modélisation constituent une limite à l’adoption de cette technique en industrie. Dans cette thèse, le lien entre le processus et la structure est étudié en prenant des images micro-tomographiques 3D (μCT) de spécimens réels, et en traitant ces données avec un logiciel spécialement conçu pour extraire les constituants individuels (fibres, matrice, vides). À partir de ces données, des modèles d’homogénéisation sont adaptés et mis en oeuvre pour permettre la prédiction des propriétés élastiques et viscoélastiques effectives et leur anisotropie. Ces prédictions sont ensuite comparées à des mesures expérimentales prises sur des spécimens fabriqués par FFF. La méthode d’homogénéisation présentée permet de prédire le module de traction en fonction du diamètre de la buse et du motif d’impression avec une précision de 5% par rapport aux valeurs expérimentales. Il s’agit d’une amélioration significative par rapport aux principales méthodes dans le domaine, qui utilisent principalement des microstructures générées artificiellement. Les propriétés thermo-viscoélastiques anisotropes complètes sont également modélisées via une procédure d’homogénéisation à double échelle qui utilise des relations constitutives pour le polymère pur telles qu’obtenues à partir de données expérimentales. Cette méthode permet de prédire la souplesse en fluage avec une erreur relative moyenne de 3% dans la direction longitudinale par rapport aux mesures expérimentales, à la fois à 21 et 120 °C. En outre, plusieurs caractéristiques morphologiques qui n’avaient jamais été rapportées auparavant sont présentées, ce qui permet de mieux comprendre pourquoi ces matériaux ont une réponse mécanique aussi unique et variable. La méthodologie présentée peut être étendue à d’autres combinaisons polymère et fibres, et peut être utilisée pour la prédiction d’autres propriétés physiques, telles que la résistance, la ténacité à la rupture, et d’autres phénomènes comme la conductivité thermique ou électrique, et la piézoélectricité.