Development and Investigation of High-Performance Thermoplastic Composites for Fused Filament Fabrication of Sandwich Panel Structures

La fabrication par dépôt de filament fondu (FFF) de polymères à haute température offre un potentiel considérable pour l'industrie aérospatiale. Cela s'explique par la flexibilité de la FFF dans la création de structures complexes, ainsi que par les propriétés mécaniques, thermiques et ignifuges de certains polymères résistants à haute température. Cependant, plusieurs défis sont associés à la FFF des polymères à haute température, en particulier lorsqu'ils sont renforcés par des fibres courtes. Ces défis incluent le traitement à haute température, la viscosité élevée, les difficultés d'extrusion des filaments, la formation de porosité, le comportement thermique tel qu’amorphe et/ou semi-cristallin de la matrice et l'interface fibre-matrice, qui peuvent tous avoir un impact sur les propriétés mécaniques finales des pièces imprimées. De plus, le choix d'une matrice polymère appropriée et le développement de matériaux composites respectant les exigences strictes de certification de l'industrie aérospatiale représentent un défi important. La technologie FFF, qui est relativement récente, manque de procédés standardisés, et les propriétés des pièces imprimées par FFF ne sont pas encore complètement comprises, en comparaison avec celles produites par des techniques de fabrication conventionnelles. Le travail présenté dans cette thèse propose le développement des différentes formulations de matrices polymères polyetherimide (PEI) amorphe et de polysulfure de phenylene (PPS) semicristallin, renforcées avec de la fibre courte de carbone recyclée (rCF) et des particules de thermal black (TB). Quatre (4) formulations composites différentes ont été fabriquées pour chaque matrice. Initialement, les composites contenaient 20 % en poids de rCF, qui ont été progressivement remplacées par des particules de TB, par incréments de 5 % en poids. Après leur extrusion, les composites ont été moulés par injection (IM) et aussi ont été extrudés sous forme des filaments. Ensuite, les propriétés mécaniques, thermiques et microstructurales des pièces imprimées par FFF et celles des pièces moulées par injection ont été analysées et comparées. Les propriétés mécaniques ont été étudiées en termes de performance en traction, en flexion et à l’impact. L'incorporation de rCF a significativement amélioré les propriétés mécaniques des composites PEI et PPS. L'incorporation de 20 % en poids de rCF a augmenté le module de traction de la matrice PEI moulée par injection de 3.2 GPa à 6.2 GPa, tandis que pour le PPS moulé par injection, le module de traction est passé de 3.5 GPa à 20 GPa. L’efficacité du renforcement avec un chargement en rCF pour les spécimens IM de PEI et de PPS peut être attribuée aux différences dans leurs caractéristiques structurelles, PEI étant amorphe et PPS semi-cristallin. Pour les mêmes formulations, le module de traction des composites PEI et PPS imprimés par FFF a été respectivement de 4.3 GPa et 6.0 GPa. Pour d'autres formulations, les différences mécaniques entre les pièces moulées par injection et celles imprimées par FFF étaient moins prononcées.