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FABRICATION ADDITIVE DE COMPOSANTS DE GRANDES DIMENSIONS A PARTIR DE MATERIAUX POLYMERES THERMOPLASTIQUES
HISTORIQUE DE LA FABRICATION ADDITIVE A PARTIR DE POLYMERES THERMOPLASTIQUES FONDUS
Comme cela a été mentionné au sein de la partie précédente, l’utilisation des polymères thermoplastique fondus pour la fabrication additive débute en 1989 à la suite de la création du procédé FDM [10], [11]. Dans les années qui suivent se développe la fabrication de modèles de petites dimensions, réalisés à partir de polymères bon marché aux faibles propriétés mécaniques afin de fabriquer des prototypes de pièces aux dimensions réelles dans le cadre d’application industrielles. C’est d’ailleurs à ce moment-là que le procédé acquiert le nom officieux de prototypage rapide [30]–[32]. Parallèlement à ces applications se développe le marché des imprimantes 3D de bureau, basées sur le procédé développé par l’entreprise Stratasys et destinées à être vendues aux particuliers. L’usage des composants produits s’oriente alors vers les loisirs comme par exemple la fabrication de figurines [33]. Le projet RepRap, créé au sein de l’Université de Bath en 2004, participe en grande partie à l’engouement créé autour de ces machines [15]. Un réseau mondial de Fab Lab (contraction de l’anglais « fabrication laboratory », laboratoire de fabrication) ouvert au public et permettant de donner l’accès à des outils de fabrication numérique tels que des imprimantes 3D et des machines-outils se met en place [34]. Même si la production de pièces via le réseau des Fab Lab reste anecdotique, ces derniers démocratisent l’usage des technologies additives et permettent aux bricoleurs et aux étudiants de réaliser des projets créatifs. De plus, l’arrivée des brevets liés au procédé FDM dans le domaine public en 2009 ouvre la voie à une vague d’innovations et permet une baisse significative des coûts de fabrication, engendrant une visibilité accrue.
C’est avec l’arrivée de matériaux polymères thermoplastiques renforcés de fibres courtes, longues et continues permettant d’améliorer les propriétés mécaniques des composants produits que les applications additives de grandes dimensions à visée industrielle voient le jour [35], [36]. A partir de 2013, Love et al. [37] développent un partenariat avec l’entreprise Cincinatti Incorporated à travers deux CRADA (pour « Cooperative Research and Development Agreement », CRADA N°1 de 2014 à 2015 [38] et CRADA N°2 de 2016 à 2019 [39]) afin de mettre au point un équipement destiné à réaliser des composants de grandes dimensions à partir de matériaux polymères thermoplastiques renforcés de fibres courtes (Figure 5A). Plusieurs démonstrateurs, présentés dans la suite de cette partie, ont permis de mettre en avant la pertinence du procédé dans le cadre de diverses applications. Peu de temps après, l’entreprise Thermwood [40] développe un procédé similaire permettant également la réalisation de composants de grandes dimensions (Figure 5B). L’utilisation de matériaux polymères thermoplastiques renforcés de fibres courtes (30% de la fraction volumique) optimise les propriétés mécaniques des composants produits, les sources présentes au sein de la littérature scientifiques convergeant autour d’une augmentation de 30% de ces dernières, sans pour autant changer outre mesure la mise en place du procédé et des trajectoires de fabrication [41]. La gamme de matériaux utilisables est variée : matrices en PLA, PETG, en Nylon, en PEEK ou en PEKK, renforts en carbone, verre ou encore en kevlar. Cependant, l’usage de ces matériaux n’est pas adapté à la réalisation de composants structuraux soumis à de fortes sollicitations mécaniques. De plus, l’utilisation de matériaux renforcés de fibres courtes n’a pas d’effet sur la problématique d’anisotropie entre les couches de matière déposées, anisotropie due à la faible adhésion entre ces dernières.
En 2014, l’entreprise Markforged présente au salon « SolidWorks World 2014 » le premier prototype de machine capable de réaliser des pièces fonctionnelles en matériaux polymères thermoplastiques renforcés de fibres continues [42] (Figure 5C). En 2016, Matsuzaki et al. [43] publient la première publication scientifique portant sur la fabrication additive à partir des mêmes matériaux. Il s’ensuit un accroissement des publications dans ce domaine, au sein desquelles des essais mécaniques quasi statiques sont majoritairement menés : traction, flexion, compression et cisaillement. S’il apparaît que l’utilisation de matériaux renforcés de fibres continues augmente fortement la résistance mécanique des composants produits le long de la direction de dépôt des fibres, des problématiques scientifiques restent à résoudre :
– développement d’une large gamme de matériaux utilisables, pour le moment limitée à quelques applications commerciales (Markforged, Arevo, Destop Metal) ;
– développement de règles propres à l’utilisation de fibres continues, notamment dans le cadre de la génération des trajectoires de fabrication ;
– augmentation de la fraction volumique de fibres, limitée à 50%, ce qui minimise l’apport en termes de propriétés mécaniques du matériau utilisé ;
– minimisation du taux de porosité au sein des composants produits en comparaison des standards mis en place dans le domaine des matériaux composites (porosité inférieure à 2%) ;
– anisotropie des propriétés mécaniques toujours présente au sein des composants produits, due à l’absence de développement de trajectoires de fabrication suivant la direction considérée comme mécaniquement faible.
En 2018, l’entreprise AREVO développe un procédé utilisant des matériaux renforcés de fibres continues afin de réaliser des composants de grandes dimensions, tels que les cadres de vélos fabriqués en un seul tenant [44] (Figure 5D).
Figure 5 : fabrication additive de pièces en polymère fondu de grandes dimensions, développement du procédé à des fins industrielles
COMPOSANT DE GRANDES DIMENSIONS
Il est fait mention à de multiples reprises de démonstrateurs de grandes dimensions réalisés de manière additive à partir de matériaux polymères thermoplastiques fondus au sein de la littérature scientifique [45]–[48]. Dans la suite de cette partie, ces derniers seront présentés au sein de deux catégories en fonction de leurs objectifs finaux [49] :
– démonstrateurs non structuraux, permettant d’assurer un rôle fonctionnel et n’ayant pas pour objectif de garantir la tenue à de fortes sollicitations mécaniques ;
– démonstrateurs structuraux, ayant pour objectif d’assurer un rôle fonctionnel et de garantir la tenue à de fortes sollicitations mécaniques.
Suite à cela, une conclusion générale sur l’état de l’art de la fabrication additive de composants de grandes dimensions à partir de polymères thermoplastiques fondus sera dressée.
DEMONSTRATEURS NON STRUCTURAUX
Chronologiquement, les démonstrateurs de grandes dimensions réalisés de manière additive à partir de polymères thermoplastiques fondus ont d’abord été utilisés afin de réaliser des composants non structuraux, principalement des moules destinés à réaliser des pièces en matériaux composites et des outillages de grandes dimensions, du fait des faibles propriétés mécaniques atteignables par les matériaux renforcés de fibres courtes [50], [51]. Dans la suite de cette partie, les différentes références aux composants non structuraux présentes au sein de la littérature scientifique seront développées puis une synthèse sur ces dernières sera dressée.
OUTILLAGES DE GRANDES DIMENSIONS
La fabrication d’outillages de grandes dimensions (de découpe, de perçage ou encore d’inspection), réalisés de manière additive à partir de polymères thermoplastiques fondus, est mentionnée plusieurs fois au sein de la littérature :
– Un outillage de découpe et de perçage de plus de cinq mètres de long, destiné au programme 777X, a été développé par Love et al. [52] en partenariat avec l’entreprise Boeing en remplacement de l’ancien outillage, réalisé par usinage. L’usage d’un procédé additif en lieu et place du procédé de fabrication traditionnel a permis d’alléger le composant et de réduire le délai de fabrication (Figure 6A) ;
– L’entreprise Thermwood, dans le cadre d’un partenariat avec l’entreprise Boeing, a également réalisé un outillage d’une longueur de 4 mètres destiné au programme 777X. Le temps total d’obtention du composant a été réduit de plusieurs semaines, autorisant la livraison du composant bien avant celle d’un outillage réalisé de manière conventionnelle [53] (Figure 6B) ;
– Dans le cadre d’un partenariat avec l’entreprise DTG, Love et al. [54] ont réalisé un outillage destiné à l’industrie automobile permettant l’inspection de plaques métalliques précédemment mises en forme (Figure 6C). L’outillage, ayant respecté la totalité des prérequis de son cahier des charges, a pu être réalisé d’une manière plus rapide et moins onéreuse.
Figure 6 : fabrication additive de pièces en polymère fondu de grandes dimensions, outillages de grandes dimensions
L’utilisation de la fabrication additive permet de réaliser des outillages de grandes dimensions plus légers, moins onéreux et plus rapides à concevoir et à fabriquer. Les problématiques scientifiques liées à la réalisation de ces composants sont les suivantes :
– génération et paramétrage d’opérations de parachèvement, permettant d’obtenir des surfaces conformes aux tolérances géométriques, dimensionnelles et d’état de surface au niveau des surfaces de contact intentionnelles et non intentionnelles ;
– choix et paramétrage d’un moyen de fabrication capable de réaliser l’intégralité des trajectoires de fabrication ;
– gestion des problématiques thermiques (décollement du composant de son plateau de fabrication sous l’effet de contraintes résiduelles, délamination d’une ou de plusieurs couches de matière, effondrement de la structure sous son propre poids).
MOULES DE GRANDES DIMENSIONS
La fabrication de moules destinés aux procédés de moulage au contact, par infusion sous vide et par autoclave dans le cadre de la réalisation de pièces en matériaux composites est évoquée plusieurs fois au sein de la littérature scientifique :
– Kunc et al. [50] ont réalisé un moule au contact destiné à réaliser le capot d’une réplique du véhicule Shelby Cobra. Le moule a été réalisé avec un poids réduit en comparaison avec les moules traditionnels, ce qui permet de faciliter les opérations de levage et de gréage associées au transport des outils (Figure 7A) ;
– Post et al. [55] ont réalisé un moule destiné au moulage par infusion sous vide de pales d’éoliennes d’une longueur de treize mètres en partenariat avec l’entreprise TPI Composites. Grâce à la liberté de conception offerte par la fabrication additive, le moule a été conçu et réalisé de manière à fournir un logement à des unités de chauffage, installées en une journée. En effet, durant l’opération de moulage, il doit être chauffé à une température de consigne. Des conduits permettant la circulation d’air par convection ont également été implémentés (Figure 7B). Or dans le cadre d’un procédé traditionnel, des milliers de kilomètres de fils chauffants sont intégrés manuellement à ce dernier, ce qui prend plusieurs semaines, voire plusieurs mois (Figure 7B) ;
– Post et al. [55] ont réalisé un moule destiné au moulage par infusion sous vide de coques de catamaran, en partenariat avec l’entreprise Alliance LG LLC, d’une longueur supérieure à dix mètres. Le moule a été réalisé sans avoir eu recours à un revêtement coûteux ou à une sous structure en acier, ce qui a pour conséquence d’abaisser les délais de fabrication et de diminuer les coûts (Figure 7C) ;
– Un moule destiné à la fabrication de pales d’hélicoptères en matériau composite via le procédé de moulage par autoclave, capable de résister à des températures comprises entre 200 et 375 degrés et une pression de 7 bars, a été fabriqué par l’entreprise Thermwood en partenariat avec l’entreprise Bell [56] (Figure 7D). Au sein de l’industrie aéronautique, les délais d’obtention de ce type de composants sont très longs et la fabrication additive a permis de fortement les réduire. Figure 7 : fabrication additive de pièces en polymère fondu de grandes dimensions, moules de grandes dimensions
La fabrication additive de démonstrateurs de grandes dimensions à partir de polymères thermoplastiques fondus permet aussi de réaliser d’autres éléments non structuraux :
– Love et al. [57] ont développé des coffrages pour béton préfabriqué, qui permettent de remplacer les composants traditionnellement réalisés à partir de bois ou d’acier par des composant en polymères ayant des géométries qui étaient jusqu’ici impossibles à réaliser (Figure 8A). La précision obtenue lors de la fabrication, le peu de main d’oeuvre nécessaire à la réalisation de l’outillage et les délais d’obtention permettent au procédé additif d’apporter une plus-value quant à la fabrication de ces composants ;
– Hahnlen et al. [51] ont fabriqué des outils destinés au formage à froid et à l’hydroformage, procédés de mise en forme de plaques métalliques qui permettent de diminuer les coûts de production par rapport à la fabrication d’outils de coupe conventionnels (Figure 8B).
Figure 8 : fabrication additive de pièces en polymère fondu de grandes dimensions, coffrages en béton et outils de formage et à froid et d’hydroformage
Ces démonstrateurs de grandes dimensions ont permis de montrer que la fabrication additive rend possible la réalisation de moules et de coffrages de grandes dimensions ayant des géométries impossibles à obtenir par l’intermédiaire de procédés traditionnels. Elle permet également d’optimiser la topologie du composant par rapport à des critères à maximiser ou minimiser. Par ailleurs, les coûts et délais de fabrication sont également raccourcis : les composants étant destinés à être réalisés en faibles séries, les coûts engendrés par la conception et la fabrication des composants sont déterminants. Les problématiques scientifiques engendrées par la réalisation de ces catégories de composants sont similaires aux problématiques relatives aux outillages de grandes dimensions :
– génération et paramétrage d’opérations de parachèvement, permettant d’obtenir des surfaces conformes aux tolérances géométriques, dimensionnelles et d’état de surface au niveau des surfaces de contact intentionnelles et non intentionnelles ;
– choix et paramétrage d’un moyen de fabrication capable de réaliser l’intégralité des trajectoires de fabrication ;
– gestion des problématiques thermiques (décollement du composant de son plateau de fabrication sous l’effet de contraintes résiduelles, délamination d’une ou de plusieurs couches de matière, effondrement de la structure sous son propre poids).
DEMONSTRATEURS STRUCTURAUX
Les démonstrateurs structuraux de grandes dimensions ont été réalisés suite à l’arrivée sur le marché des matériaux polymères thermoplastiques renforcés de fibres continues, permettant d’augmenter fortement la résistance mécanique des composants produits. Dans cette partie, les démonstrateurs structuraux mentionnés au sein de la littérature scientifique seront étudiés suivant une classification par secteurs d’activité (naval, automobile, deux-roues, génie civil).
NAVAL
Plusieurs applications structurelles, en lien avec le domaine naval, sont mentionnées au sein de la bibliographie :
– Dagher et al. [58] ont réalisé une coque de bateau ayant une longueur de près de huit mètres et un poids de 2,2 tonnes détenant le record de la plus grande pièce additive jamais construite (Figure 9A). La réalisation de cette coque d’un seul tenant a permis de réduire le temps du cycle de fabrication, de diminuer le nombre de composants assemblés et le recours aux post opérations. Le bateau a ensuite été testé par le « Alfond W2 Ocean Engineering Laboratory », un laboratoire d’essais équipé d’un éoliphone haute performance et d’un bassin à houles multi-directionnelles ;
– Love et al. [59] ont réalisé, dans le cadre d’un partenariat avec le laboratoire « Navy’s Disruptive Technology », la première coque de sous-marin fabriquée via un procédé additif, d’une longueur supérieure à neuf mètres et totalisant six pièces assemblées entre elles (Figure 9B). Même si ce composant n’est qu’un prototype, cela entrouvre la voie à l’emploi de ce procédé afin de réaliser des coques de sous-marin moins coûteuses, plus rapides à produire et réalisées sur mesure.
Figure 9 : fabrication additive de pièces en polymère fondu de grandes dimensions, composants en lien avec le domaine naval
AUTOMOBILE
L’industrie automobile est également en demande de composants de grandes dimensions, réalisés de manière additive à partir de polymères thermoplastiques fondus :
– une collaboration entre les entreprises Polymaker et XElectrical Vehicule a permis de réaliser la 1ère voiture électrique produite en série ayant des composants majoritairement réalisés de manière additive [60]. Cela a permis de grandement réduire le nombre total de composants du véhicule tout en diminuant les temps et les coûts liés à son développement (de respectivement 90 et 70%) (Figure 10A) ;
– Love et al. [61] ont réalisé le châssis d’un véhicule électrique (Strati) en partenariat avec Local Motors Incorporation. Tandis qu’un véhicule traditionnel est composé de plus de 20 000 pièces, la Strati n’en contient que 40 (seuls les roues, les suspensions, le moteur, les tissus, l’électronique et les vitres ont été ajoutés après fabrication du châssis). De plus, la production du véhicule n’a nécessité aucun outillage coûteux (Figure 10B) ;
– Curran et al. [62] ont réalisé une réplique fonctionnelle de la mythique Shelby Cobra à l’occasion de son 50ème anniversaire en seulement six semaines, avec pour objectif de développer à l’avenir des prototypes de véhicules fonctionnels en un temps extrêmement restreint (Figure 10C).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – ETAT DE L’ART ET PRESENTATION DES TRAVAUX DE RECHERCHE
1. INTRODUCTION
2. ETAT DE L’ART GENERAL SUR LA FABRICATION ADDITIVE
2.1. HISTORIQUE DE LA FABRICATION ADDITIVE
2.2. PROCEDES DE FABRICATION ET APPLICATIONS
2.3 ATOUTS ET FAIBLESSES DE LA FABRICATION ADDITIVE
2.4. CONCLUSION SUR L’ETAT DE L’ART GENERAL A LA FABRICATION ADDITIVE
3. FABRICATION ADDITIVE DE COMPOSANTS DE GRANDES DIMENSIONS A PARTIR DE MATERIAUX POLYMERES THERMOPLASTIQUES
3.1. HISTORIQUE DE LA FABRICATION ADDITIVE A PARTIR DE POLYMERES THERMOPLASTIQUES FONDUS
3.2. COMPOSANT DE GRANDES DIMENSIONS
3.3 CONCLUSION ET ANALYSE DE L’ETAT DE L’ART SPECIFIQUE A LA FABRICATION ADDITIVE REALISEE A PARTIR DE MATERIAUX POLYMERE
4. PRESENTATION DES TRAVAUX DE RECHERCHE : METHODOLOGIE DE PREPARATION A LA FABRICATION
4.1. PREREQUIS DE LA METHODOLOGIE
4.2. METHODOLOGIE DE PREPARATION A LA FABRICATION
4.3. ETAPES EN AVAL DE LA METHODOLOGIE
4.4 SYNTHESE SUR LES OBJECTIFS DE CES TRAVAUX DE RECHERCHE
5. MISE EN AVANT ET RESOLUTION DE PROBLEMATIQUES DE LA METHODOLOGIE PAR LA REALISATION DE CAS D’APPLICATIONS
5.1 CAS D’APPLICATION ET PROBLEMATIQUES A RESOUDRE
5.2. CONCLUSION PARTIELLE SUR LA MISE EN APPLICATION DE LA METHODOLOGIE
6. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 2 – MISE EN POSITION ET SECTIONNEMENT DU COMPOSANT
1. NOTIONS RELATIVES A LA MISE EN POSITION ET AU SECTIONNEMENT D’UN COMPOSANT DE GRANDES DIMENSIONS
1.1 DECOMPOSITION EN ENTITES ET RATIO D’ELANCEMENT
1.2 SUBSTRAT
1.3 SECTIONNEMENT
1.4 SUPPORTS
1.5 CONCLUSION SUR LES NOTIONS RELATIVES A LA MISE EN POSITION ET AU SECTIONNEMENT
2. PROBLEMATIQUE RELATIVE AU PORTE-A-FAUX ET A LA MISE EN POSITION D’UN COMPOSANT DE GRANDES DIMENSIONS
3. METHODOLOGIE DE MISE EN POSITION ET DE SECTIONNEMENT DU COMPOSANT A REALISER
3.1 MISE EN POSITION DU COMPOSANT
3.2 PRISE EN CONSIDERATION DES CRITERES DU CAHIER DES CHARGES
3.3 IMPLEMENTATION D’UNE STRUCTURE DE MAINTIEN OU DE SOUTIEN
3.4 CHOIX DE COURBE DE CROISSANCE ET DE LA DISTANCE ENTRE LES SECTIONS
3.5 TRANCHAGE DU COMPOSANT
3.6 CONCLUSION SUR LA METHODOLOGIE DE MISE EN POSITION ET DE SECTIONNEMENT DU COMPOSANT A REALISER
4. CAS D’APPLICATION
4.1 MISE EN POSITION ET IMPLEMENTATION DE STRUCTURES DE SOUTIEN
4.2 CHOIX DE LA COURBE DE CROISSANCE, DE LA DISTANCE ENTRE LES SECTIONS ET TRANCHAGE DES COMPOSANTS
5. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 3 – MISE EN PLACE DES STRATEGIES DE FABRICATION
1. NOTIONS RELATIVES AUX STRATEGIES DE FABRICATION
1.1. TRAJECTOIRES DE FABRICATION
1.2. TYPES DE STRATEGIES DE FABRICATION
1.3. ORDONNANCEMENT DES STRATEGIES DE FABRICATION
1.4. CONCLUSION SUR LES NOTIONS RELATIVES AUX STRATEGIES DE FABRICATION
2. PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES RELATIVES AUX COMPOSANTS DE GRANDES DIMENSIONS ET STRATEGIES DE FABRICATION
2.1. PROBLEMATIQUES MECANIQUES
2.3. PROBLEMATIQUES GEOMETRIQUES, DIMENSIONNELLES ET D’ETAT DE SURFACE
2.4. PROBLEMATIQUES THERMIQUES ET STRATEGIES DE FABRICATION
2.5 PROBLEMATIQUES CHIMIQUES
2.6. CONCLUSION SUR LES PROBLEMATIQUES RELATIVES AUX STRATEGIES DE FABRICATION
3. MISE EN PLACE DES STRATEGIES DE FABRICATION
3.1. MISE EN PLACE DES STRATEGIES VOLUMIQUES
3.2 MISE EN PLACE DES STRATEGIES DE RENFORCEMENT
4. DEVELOPPEMENT DES CAS D’APPLICATION
4.1. MISE EN PLACE DES STRATEGIES VOLUMIQUES
4.2. RENFORCEMENT DE L’HYPERBOLOIDE
4.3. CONCLUSION SUR LA MISE EN PLACE DES STRATEGIES DE FABRICATION DANS LE CADRE DES CAS D’APPLICATION
5. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 4 – CHOIX ET PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION
1. NOTIONS RELATIVES AU CHOIX ET AU PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION
1.1. MOYEN DE FABRICATION
1.2. EFFECTEURS ADDITIFS
1.3. PORTEURS
1.4. CONCLUSION SUR LES NOTIONS RELATIVES AU CHOIX ET AU PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION
2. PROBLEMATIQUES SCIENTIFIQUES RELATIVES AU CHOIX ET AU PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION
2.1. CHOIX ET PARAMETRAGE DES EFFECTEURS ADDITIFS
2.2. CHOIX ET PARAMETRAGE DU PORTEUR
3. METHOLOGIE DE CHOIX ET DE PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION
3.1. CHOIX ET PARAMETRAGE DES EFFECTEURS
3.2 CHOIX ET PARAMETRAGE DU PORTEUR
3.3. DE RISQUAGE DU COMPOSANT A FABRIQUER
4. CHOIX ET PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION UTILISE DANS LE CADRE DE CES TRAVAUX DE RECHERCHE
4.1. CHOIX ET PARAMETRAGE DES EFFECTEURS
4.2. CHOIX ET PARAMETRAGE DU PORTEUR
4.3. REALISATION DE L’ETAPE DE DERISQUAGE
4.4. FABRICATION DES CAS D’APPLICATION
4.5. CONCLUSION SUR LE PARAMETRAGE DU MOYEN DE FABRICATION ET SUR LA REALISATION DES CAS D’APPLICATIONS
5. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 5 – CONCLUSION ET PERSPECTIVES
LISTE DES REFERENCES
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