Méthodologie d'analyse de performance multi-critère pour outiller la prise de décision sur la fabrication additive de pièce en PA (polyamide) renforcé par fibres de carbone

Les technologies de fabrication additive (FA) suscitent un intérêt croissant en raison des nouvelles possibilités et des avantages qu’elles offrent, notamment pour la production de pièces en petites séries. Parmi ces technologies, certaines permettent la mise en forme de composites à matrice polymère thermoplastique, une catégorie de matériaux de plus en plus populaires pour leurs propriétés mécaniques par unité de masse exceptionnelle. Grâce à sa capacité à produire des formes et des conceptions complexes, la fabrication par filament fondu est devenue une méthode de choix pour créer des composites adaptés aux critères industriels. La combinaison de la FA et des matériaux composites est un outil puissant pour alléger les pièces, particulièrement intéressant dans l’industrie du transport. La fabrication par dépôt de fil fondu de matériaux composites est par conséquent une piste d’amélioration afin de réduire la consommation en carburant des véhicules de transport, et donc d’en réduire l’impact énergétique. Afin de poursuivre la production efficace industrielle de pièce allégée par FA composite, une meilleure compréhension des impacts de fabrication est nécessaire, à la fois suivant des aspects traditionnels (mécanique et économique), mais aussi suivant des aspects émergents (énergétique). À ce titre, les paramètres de fabrication sont la pierre angulaire qui lie ces différents aspects. Cette thèse a pour objectif d’outiller la prise de décision des utilisateurs de la FA de matériaux composites, par la mise en place d’une méthodologie d’analyse de performance multi-critère. Ce travail repose sur des données expérimentales, obtenues en partant du cas spécifique du dépôt de fil fondu de polyamide renforcé par fibres de carbones. Les résultats permettent de comprendre et d’évaluer l’impact des paramètres de fabrication sur les aspects mécanique, économique et énergétique. De plus, les résultats obtenus donnent lieu à la mise en place d’une méthodologie générale d’évaluation multi-critère de la FA composite. En premier lieu, un état de l’art permet de distinguer les différents matériaux composites ainsi que les procédés de FA permettant la fabrication de matériaux composites. Également, une étude de la littérature est réalisée sur les paramètres de fabrication et leurs impacts sur les performances mécaniques, économiques et énergétiques. Dans un second lieu, trois campagnes d’essais sont réalisées afin d’évaluer l’impact de cinq paramètres de fabrication : l’épaisseur de couche, la vitesse de déposition, les températures de buse et de plateau, ainsi que la stratégie de chauffe du plateau. À l’aide de ces trois campagnes d’essais, une méthodologie d’analyse multi-critère est mise en place. Cette méthodologie en trois grandes étapes, accompagne la prise en main d’un nouveau couple machine/matériau, développe des outils de modélisation mécanique, économique et énergétique, et enfin, donne un cadre d'analyse multi-critère permettant de sélectionner le jeu de paramètre optimisé.

Abstract

Additive manufacturing (AM) technologies are receiving increasing interest due to the new possibilities and advantages they offer, particularly for the production of parts in small batches. Some of these technologies enable the shaping of thermoplastic polymer matrix composites, a category of materials that is becoming increasingly popular for its exceptional mechanical properties per unit mass. Thanks to its ability to produce complex shapes and designs, fused filament fabrication (FFF) has become a method of choice for creating composites tailored to industrial requirements. Combining additive manufacturing (AM) with composite materials is an effective technique for lightweighting products, particularly attractive for the transportation sector. Therefore, there is room for development in the FFF manufacture of composite materials in order to lower the fuel consumption of transportation vehicles and, consequently, their energy effect. A deeper comprehension of the effects of manufacturing is necessary to pursue the effective industrial production of lightweight parts utilizing composite additive manufacturing. This understanding needs to include both traditional aspects (mechanical and economic) and emerging aspects (energy). In this respect, manufacturing parameters are the cornerstone that links these different aspects. This thesis applies a multi-criteria performance analysis methodology with the goal of giving composite materials AM users decision-making tools. The work is based on experimental data that was collected specifically for the FFF of polyamide reinforced with carbon fiber. The results enable us to understand and assess the impact of manufacturing parameters on mechanical, economic and energy aspects. In addition, the results obtained lead to the establishment of a global methodology for the multi-criteria evaluation of composite AM. Firstly, a review of the current state of the art distinguishes the various composite materials and AM processes used to manufacture composite materials. A literature review is also carried out on manufacturing parameters and their impact on mechanical, economic and energy performance.Secondly, three test campaigns are carried out to evaluate the impact of five manufacturing parameters : layer thickness, deposition rate, nozzle and platen temperatures, and heatbed heating strategy. Based on these three experimental campaigns, a multi-criteria analysis methodology was developed. This methodology, in three main stages, supports the handling of a new machine/material pairing, develops mechanical, economic and energy modeling tools, and finally, provides a multi-criteria analysis framework for selecting the optimized set of parameters.