Additive Manufacturing of Complex Geometries using Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites

La fabrication additive (FA) est une famille de technologies de plus en plus utilisée afin de créer des géométries optimisées et plus légères, généralement impossibles à fabriquer par des méthodes conventionnelles. Cependant, les techniques existantes de FA présentent des limites. La FA métallique, malgré les hautes résistances et rigidités obtenues, est pénalisée par la haute densité des métaux. Les composites thermoplastiques renforcés de fibres courtes, bien que légers, assez rigides et recyclables, offrent une résistance mécanique limitée. Afin de remédier à ces lacunes, le développement de la FA de polymères renforcés de fibres continues (FA-PRFC) est une option prometteuse. Cette approche vise à combiner les avantages associés à la FA de formes complexes avec la haute résistance et la haute rigidité spécifiques de cette gamme de matériaux. Ce mémoire présente donc le développement d’une infrastructure de FA de composites renforcés de fibres continues. Le système intègre un outil de co-extrusion à un système de FA robotique déjà développé au laboratoire de mécanique multi-échelle (LM2), afin de réaliser une imprégnation in-situ des fibres. Cette approche vise à permettre l’utilisation de matières premières génériques et à réduire la dépendance aux matériaux préimprégnés propriétaires utilisés par la plupart des systèmes disponibles commercialement. L’efficacité de cette infrastructure a été validée avec deux combinaisons de matériaux : (1) de l’acide polylactique renforcé de fibres de verre continues (PLA-CGF) et (2) du PLA renforcé de fibres de carbone courtes et continues (PLA-SCCF). Une analyse de la microstructure par microtomographie de pièces unidirectionnelles en PLASCCF a révélé une fraction volumique de fibres continues de 44 vol.% (i.e., environ 58 wt.%) ainsi que des taux de vides et de porosités de 0,4 vol.% et 7,9 vol.%, respectivement. Des tests mécaniques ont démontré une résistance à la traction de 854 MPa et une rigidité de 29,5 GPa dans la direction des fibres. Ces valeurs représentent une augmentation de 16X en résistance et de 6X en rigidité par rapport à un composite de PLA renforcé uniquement de fibres courtes (PLA-SCF). La résistance spécifique obtenue dans la direction des fibres est également 8X supérieure à celle des pièces issues de la FA métallique. Pour démontrer la capacité de l’infrastructure de co-extrusion à fabriquer des géométries 3D complexes, un vase à paroi mince et un panneau sandwich multi-matériaux ont été imprimés. Leur fidélité géométrique a été mesurée et des écarts inférieurs à 1% des dimensions des pièces ont été obtenus pour les deux géométries. Les défauts observés, principalement dus à l’extrusion de matière non supportée sur une distance de 31 mm, se sont concentrés dans la peau supérieure du panneau sandwich. Bien que 13X plus élevés que dans la peau inférieure, ils représentent tout de même une réduction de ∼42% par rapport aux valeurs rapportées dans la littérature pour des structures similaires fabriquées par FA. Bien que des limites subsistent, notamment pour les structures non supportées sur de longues distances, la méthode développée démontre une capacité à fabriquer des pièces 3D complexes avec des propriétés spécifiques parmi les plus hautes rapportées pour la FA-PRFC jusqu’à présent. Ces résultats prometteurs pour un procédé d’imprégnation in-situ pourraient être appliqués à l’automatisation de la fabrication de pièces composites complexes, réduisant le besoin d’assemblage et offrant une plus grande liberté de conception dans les secteurs exigeants et nécessitant une réduction de la masse, comme l’aérospatiale ou l’automobile.