Phase-field Modeling of Fracture in Additively Manufactured Thermoplastic parts

En reposant sur l'ajout de matière plutôt que sur le retrait, la fabrication additive (FA) permet le développement et la mise en production rapide de pièces géométriquement complexes. Dans un contexte mondial où de nombreuses industries cherchent à atteindre la carboneutralité, la combinaison de matériaux haute-performance avec la FA offre l'opportunité de produire des pièces multifonctionnelles et structurelles légères. La fabrication par filament fondu (FFF), qui consiste à extruder et déposer un filament fondu en couches successives, est actuellement le procédé de FA le plus populaire pour la production de pièces thermoplastiques. Toutefois, les pièces obtenues par FFF présentent un comportement mécanique complexe, intrinsèque à leur structure multicouche. Afin de permettre aux industries une utilisation sécuritaire de pièces produites par FFF, des modèles numériques capables de prédire la défaillance de ces pièces doivent être développés. Dans cette thèse, un modèle champ de phase (CP) est proposé afin de prédire la défaillance de pièces thermoplastiques produites par FFF. Pour atteindre cet objectif, deux nouveaux solveurs, utilisant respectivement une méthode de Newton modifiée et une méthode quasi monolithique modifiée, furent d'abord proposés afin d'accélérer le calcul de modèles CP. La comparaison sur plusieurs cas tests montre que la méthode de Newton modifiée est jusqu'à 12 fois plus rapide que la méthode alternée typiquement adoptée dans la littérature. Ensuite, le comportement non isotrope en tension et en rupture des pièces produites par FFF fut investigué expérimentalement. Des tests de tractions et de ruptures furent effectués sur des éprouvettes imprimées avec différents angles de déposition afin de mesurer leur rigidité, leur résistance ultime et leur ténacité en fonction de l'orientation du matériel. Finalement, un modèle CP utilisant une dégradation anisotrope et cohésive fut développé spécifiquement pour les pièces produites par FFF. Les prédictions du modèle furent comparées avec des résultats expérimentaux de fracture sur des éprouvettes de flexion trois-points et des éprouvettes de type CT modifié. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que le modèle CP proposé prédit de manière précise leur rupture. La précision du modèle proposé est réduite dans des cas comportant une large déformation plastique ou une propagation rapide puisque ce dernier repose sur des hypothèses de rupture quasi fragile et quasi statique. De plus, la validation expérimentale fut limitée à des pièces en acide polylactique (PLA) avec des couches unidirectionnelles et denses à 100%. Néanmoins, le modèle proposé pourrait être utilisé afin d'estimer l'endroit et la charge de défaillance de pièces produites par FFF, permettant leur développement de manière rapide et sécuritaire.