Bibliographie & annexes
Présentation
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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Glossaire4. Conclusion
Cet article s’est focalisé sur les étapes clés de la fabrication additive par extrusion d’un filament. Le principe de ce procédé est simple mais, bien que la robotisation soit importante dans les imprimantes 3D, il est nécessaire de maîtriser les étapes successives du procédé, la fusion/plastification dans le corps de chauffe, le dépôt du cordon puis son refroidissement et son soudage avec les cordons voisins. L’élément crucial reste l’extrudeuse qui assure le passage des états solide à liquide dans un espace centimétrique. Le temps de résidence du polymère dans le bloc de chauffe n’est que de l’ordre de quelques secondes. Là encore, comme dans beaucoup de procédés de fabrication d’objets en matière plastique, la rhéofluidification des polymères permet de créer des filaments de faibles diamètres avec des efforts modérés.
L’étude de la thermique dans l’extrudeuse montre que la vitesse d’alimentation du fil joue un rôle crucial sur l’échauffement et sur la force de remplissage. Il est possible de déterminer une vitesse d’extrusion limite pour éviter les blocages. Néanmoins, l’utilisation d’une imprimante FFF ne spécifie pas d’imposer la vitesse de remplissage ou d’extrusion. Dans son usage simple, l’utilisateur n’a qu’à spécifier la température de l’extrudeuse et celle du plateau d’impression ainsi que la valeur du gap entre la base de la buse et le substrat.
La forme du cordon déposé est un point clé. Elle dépend du rapport de vitesse U/V et du rapport entre le gap entre la tête et la surface d’impression et le diamètre de sortie de la buse. On a vu que, lorsque le gap est plus petit que le diamètre de buse, le cordon a une section de forme oblongue. À l’inverse, elle est plus proche d’une ellipse lorsque le gap est plus important que le diamètre de buse. Il est très important de maîtriser le refroidissement des cordons pour permettre une bonne adhésion entre filaments. Pour les polymères amorphes, on a vu que l’adhésion était d’autant meilleure que le temps passé au dessus de la température de transition vitreuse était grand. L’ouverture de l’impression 3D à des polymères techniques (en particulier semi-cristallins) nécessite de concevoir des imprimantes à contrôle de la température ambiante. De telles imprimantes existent déjà et ouvrent des perspectives prometteuses.
Le développement...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - JELLIMAN (B.) - L’impression 3D FDM. Le guide complet pour vos impressions 3D. - Éditions ENI. ISBN : 978-2-409-02474-0 (2020).
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(2) - GIBSON (I.), ROSEN (D.), STUCKER (B.) - Additive Manufacturing Technologies : 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. - 2nd. Springer (2015).
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(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).
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(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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