Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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This article describes the key stages in additive manufacturing using fused filament fabrication. It shows that heating and melting are a compromise between heat transfer from the extruder and polymer transport. Pressure drop and the force required for extrusion are reported. The morphology of extruded threads depends on extrusion and printing velocities, the distance between the nozzle and the deposit, and the nozzle diameter. Post-deposition cooling and the crystallization of semi-crystalline polymers are studied. Thread-to-thread interactions are presented, focusing on cooling and welding.
Auteur(s)
-
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
KEYWORDS
extrusion | 3D printing | semi-crystalline polymers | heat transfer | fluid mechanics
DOI (Digital Object Identifier)
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Sigles, notations et symboles
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5. Glossaire
Méthode aux éléments finis ; finite element method
Méthode numérique permettant de résoudre des systèmes d’équations aux dérivées partielles linéaires ou non sur des domaines de géométrie quelconque suivant une formulation faible ou variationnelle.
Trancheur 3D ; 3D slicer
Méthode consistant à découper en tranches suivant l’axe vertical d’impression (axe z) l’objet à imprimer.
ABS (acrylonitrile butadiène styrène)
Polymère amorphe de la famille des styréniques résistant bien au choc, T g = 105 °C.
CAO (conception assistée par ordinateur)
Ensemble de logiciels et de techniques permettant de concevoir des produits à l’aide d’un ordinateur.
DFF (dépôt de fil fondu)
Procédé d’impression.
FA (fabrication additive)
Procédé par ajout de matière.
FDM ; Fused Deposition Modelling
Acronyme anglais pour désigné le procédé par dépôt de fil fondu.
FFF ; Fused Filament Fabrication
Acronyme anglais pour désigné le procédé par dépôt de fil fondu.
PC (polycarbonate)
Polymère amorphe aux bonnes propriétés mécanique et thermique, T g = 140 °C.
PCL (polycaprolactone)
Polyester biodégradable utilisé dans le domaine biomédical, T g = − 60 °C.
PEEK (polyétheréthercétone)
Polymère thermoplastique semi-cristallin thermostable, T g = 143 °C et de température de fusion T m = 343 °C.
PLA ; PolyLactic Acid
Acide polylactique, polymère biodégradable, T g = 60 °C, T m = 175 °C.
PLA/PHA ; PolyLactic Acid/PolyHydroxyAlkanoates
Co-polymère d’acide polylactique et de polyhydroxyalcanoate.
PP (polypropylène)
Polymère thermoplastique semi-cristallin, T g = − 10 °C.
Stéréolithographie (STL) ; STereo-Lithography
Format de fichier décrivant uniquement la surface d’un objet tridimensionnel. Il a été développé initialement...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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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Fusion 360 (système d’exploitation :Windows, MacOS et Linux) : logiciel payant à coût modéré, incorpore des modules de calculs par éléments finis.
4D_Additive (système d’exploitation : Windows) : logiciel payant spécialement conçu pour la fabrication additive. Il incorpore un module de découpe.
AutoCAD (système d’exploitation : Windows, MacOS) : logiciel payant de CAO pour les professionnels.
OpenSCAD(système...
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