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RÉSUMÉ
Cet article décrit les étapes clés de la fabrication additive par fusion de fil fondu de polymères. On y montre que l'échauffement et la fusion sont un compromis entre le transfert de chaleur provenant de l'extrudeuse et le transport du polymère. Les pertes de charge et la force nécessaire à l'extrusion sont rapportées. La morphologie des cordons extrudés dépend des vitesses d'extrusion et d'impression, de la distance entre la buse et le dépôt et du diamètre de la buse. Le refroidissement post-dépôt et la cristallisation de polymères semi-cristallins sont étudiés. Les interactions entre cordons sont présentées en se focalisant sur le refroidissement et la soudure.
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Franck PIGEONNEAU : Directeur de recherche - Mines Paris, Université PSL, Centre de mise en forme des matériaux (CEMEF), UMR CNRS 7635, Sophia Antipolis, France
INTRODUCTION
Selon la norme NF EN ISO/ASTM 52900, la fabrication additive (FA) regroupe les technologies permettant de fabriquer des pièces par couches successives de matière à partir d’un modèle numérique. Tout d’abord utilisée à la fin des années 1980 pour la réalisation de prototypes, la FA est maintenant déclinée pour la plupart des pièces d’usage courant ou de haute technologie. Elle s’applique aussi bien aux métaux, aux céramiques, aux polymères, aux bétons et encore plus récemment aux verres. Son domaine d’application ne fait que grandir permettant de produire des pièces pour des secteurs de pointe comme l’aéronautique, l’automobile et la santé.
Parmi toutes les techniques de FA, l’impression 3D par extrusion de matière plastique représente une grande part du marché. Connue sous le nom d’impression par dépôt de fil fondu (DFF) ou en anglais sous le nom de Fused Deposition Modelling (FDM) ou Fused Filament Fabrication (FFF), elle est assez facile à mettre en œuvre et nécessite des coûts modérés en énergie et matière (polymère thermoplastique) et d’acquisition. Néanmoins, les propriétés d’usage (mécanique, thermique) restent en deçà de celles des produits mis en forme par des méthodes plus classiques. Pour permettre une amélioration des propriétés et étendre encore plus le champ d’applications, le fonctionnement des imprimantes DFF reste à approfondir. Ainsi, l’objet du présent article est de détailler les étapes clés du procédé en ayant recours aux principes premiers de la physique et du génie des procédés.
Après avoir décrit le procédé dans ses grandes lignes, section 1, la manière dont le polymère fond dans l’extrudeuse est décrite dans la section 2. Le dépôt du filament sera ensuite étudié section 3 où sa morphologie, son refroidissement et la cristallisation seront abordés. À l’issue de ces deux sections, des perspectives sur le procédé FDM seront proposées.
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MOTS-CLÉS
extrusion impression 3D polymère semi-cristallins transfert thermique mécanique des fluides
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Dépôt du filament
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2. Fusion du polymère dans l’extrudeuse
2.1 Fusion du polymère
La fusion du filament est une étape clé dans le procédé. Elle doit permettre l’extrusion du polymère à travers la buse et assurer que les cordons aient une morphologie contrôlée. La température à laquelle le polymère est porté est donc un paramètre important. Elle ne peut pas être trop élevée pour éviter la dégradation du polymère et la tenue thermique de l’extrudeuse. Par contre, elle doit être suffisante pour assurer une fusion complète du filament et minimiser les pertes de charge dans la buse. Il faut garantir que l’entraînement du polymère se fasse sur un matériau encore à l’état solide. Des dispositifs sont conçus comme ceux développés par E3D qui équipent nombre d’imprimantes. La figure 2 représente la tête de chauffe V6 conçue par E3D qui est un assemblage de pièces. La vue de gauche représente une perspective de l’assemblage. La vue centrale est une coupe de la tête E3D-V6. Le bloc de chauffe assure la mise en température à l’aide d’une cartouche chauffante alimentée électriquement. Une thermistance permet de contrôler la température. Pour éviter la diffusion de la chaleur vers la partie supérieure de l’extrudeuse et du filament, un échangeur à air constitué d’ailettes est implanté en amont du bloc de chauffe. De plus, pour accroître les échanges, une convection forcée est assurée par l’ajout d’un ventilateur. Finalement, un espace entre le bloc de chauffe et l’échangeur joue le rôle de « barrière thermique » (heatbreak en anglais). L’extrusion du polymère fondu est réalisée grâce à une buse formée d’un convergent et d’un tube capillaire de diamètre d et de longueur l. En figure 2 c , une coupe de la buse est représentée ce qui permet de voir que cette dernière est composée de trois parties : la première est la fin du conduit de même dimension que celle du bloc de chauffe. Ensuite, pour permettre l’extrusion du filament de polymère, on dispose d’une partie conique et d’un petit canal capillaire dont les dimensions varient en fonction de la taille de filament désiré.
Comme il est impossible de voir au travers du bloc de chauffe, la manière dont le polymère passe...
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Fusion du polymère dans l’extrudeuse
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JELLIMAN (B.) - L’impression 3D FDM. Le guide complet pour vos impressions 3D. - Éditions ENI. ISBN : 978-2-409-02474-0 (2020).
-
(2) - GIBSON (I.), ROSEN (D.), STUCKER (B.) - Additive Manufacturing Technologies : 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. - 2nd. Springer (2015).
-
(3) - BARLIER (C.), BERNARD (A.) - Fabrication additive. Du prototypage rapide à l’impression 3D. - 2nd. Dunod (2020).
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(4) - CRUMP (S.S.) - Apparatus and method for creating three-dimensional objects. - US 5121329A. 1989 (1992).
-
(5) - PENG (F.), VOGT (B.D.), CAKMAK (M.) - Complex flow and temperature history during melt extrusion in material extrusion additive manufacturing. - In : Addit. Manuf. 22, p. 197-206. ISSN : 2214-8604. DOI : 10.1016/j.addma.2018.05.015 (2018).
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