Ajout de fonctions sur pièces composites par fabrication additive : procédé de dépôt de filament fondu appliqué à des polymères thermostables

Abstract

Le couplage des procédés de fabrication additive et de drapage automatisé permettrait de concevoir des structures composites plus complexes de façon flexible. Le but de cette thèse est de pouvoir ajouter des fonctions ou renforts (raidisseurs, fixations, etc.) grâce à la fabrication additive par dépôt de filament fondu, sur des pièces composites à matrice thermoplastique obtenues via des procédés de drapage automatisé.La problématique principale concerne la qualité de l'adhésion aux différentes interfaces : entre les couches imprimées, et entre le substrat composite et la fonction ajoutée. La résistance des liaisons créées détermine l'intégrité et les propriétés mécaniques finales de la fonction imprimée et de l'assemblage avec la pièce composite initiale. Cette dernière est composée d'une matrice PEEK renforcée en fibres carbone continues. Deux polymères thermostables ont été choisis pour l'ajout de fonctions : l'AM 200, un PAEK développé par Victrex, et l'Ultem 9085, polymère à base de PEI. Le développement de l'adhésion dépend de la coalescence de la matière fondue et de la diffusion des chaînes moléculaires à travers l'interface. Les deux étant tributaires de la thermique, la rhéologie et les cinétiques de fusion et cristallisation pour les polymères semi-cristallins.La première partie du travail concerne la cohésion entre cordons dans la pièce imprimée en travaillant sur l'ajustement des paramètres d'impression pour maitriser l'histoire thermique de la matière et donc sa morphologie inter et intramoléculaires. L'impact de la température d'extrusion, la température de la chambre d'impression et la vitesse d'extrusion est quantifié lors de la fusion inter-cordons de l'AM 200 et de l'Ultem 9085. Les paramètres de sortie étudiés sont le suivi par thermocouple de la température d'un cordon pendant son dépôt et la porosité des pièces imprimées représentatif d'une fusion partielle. Pour ce faire, de nombreuses configurations sont définies selon un plan d'expérience complet à 3 facteurs et 3 niveaux par facteur. Des essais de flexion 3 points particuliers sont réalisés pour déterminer la résistance entre deux cordons au sein d'une même couche, mais aussi entre couches successives. L'exploitation des données thermiques ainsi que des demi-temps de cristallisation de l'AM 200 PAEK permet d'en déduire une microstructure et un état dans le développement de l'adhésion entre les cordons à deux niveaux d'interfaces, afin d'expliquer les résultats observés en flexion. La cinétique de cristallisation de l'AM 200 PAEK et certaines configurations d'impression rendent possible l'inter-diffusion des chaînes macromoléculaires aux interfaces entre cordons, avant la cristallisation du matériau. La résistance inter-cordons est optimisée et il est possible d'obtenir une résistance globale de la pièce supérieure à celle d'un PEEK injecté.La deuxième partie est consacrée à l'optimisation de l'adhésion entre la fonction imprimée et la pièce composite. Une tête d'impression montée sur un bras robotisé est utilisée pour imprimer les polymères sur les pièces. Des pistolets à air chaud permettent d'apporter l'énergie thermique nécessaire à l'impression de polymères thermostables. Différentes températures et vitesses d'impression sont utilisées pour imprimer les éprouvettes en leur donnant une histoire thermique différente. Des essais de clivage asymétrique sont utilisés pour caractériser la résistance à la fracture à l'interface. Plus on se rapproche de la température de fusion des matériaux à l'interface, plus la résistance de la soudure est meilleure. L'utilisation d'un traitement plasma de la plaque composite permet d'améliorer la tenue de l'assemblage avant décollement.L'ensemble de ces travaux permettent de définir une fenêtre de paramétrage du procédé optimisée pour maximiser l'adhérence aux interfaces sans compromettre la qualité de la fonction imprimée.