Partenaires scientifiques : Université de Sherbrooke, Cégep de Thetford-Mines, COALIA
Équipe : Mathieu Robert, Saïd Elkoun, Andro Vachon, Khanh Q. Nguyen, Pascal Y. Vuillaume, Lei Hu,
Audrey Diouf-Lewis, Pier-Luc Marcoux
Partenaires financiers : CRSNG, PRIMA Québec
Années de réalisation : 2023-2024
Mots-clés : Fabrication additive – Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) – Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) – Chauffage radiant – Traitement thermique – Adhésion inter-couches – Porosité – propriétés mécaniques.
La fabrication additive est un procédé largement utilisé dans les industries automobile (pièces intérieures, enjoliveurs de roues, composants de tableau de bord), aérospatiale ou encore médicale (tubes trachéaux, valves pour ventilateurs, masques médicaux). En effet, comparativement aux technologies de fabrication conventionnelle, l’impression 3D permet de concevoir des pièces se démarquant par leur complexité géométrique tout en conciliant productivité, aspects économique et environnemental.
Pour, entre autres, des raisons de coût, la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) est la technologie de fabrication additive la plus sollicitée dans le secteur manufacturier. Et, de par ses propriétés mécaniques (résistance, durabilité) et implicitement le potentiel d’applications, l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) est le polymère le plus utilisé.
Fabriquer des pièces en ABS par FDM : des défis ?
Le procédé FDM consiste à chauffer et extruder dans un état semi-liquide des filaments thermoplastiques. Lors du processus d’extrusion, des couches sont déposées et fusionnées les unes sur les autres pour former les pièces. Toutefois, l’ABS, du fait de sa température de traitement élevée et de son coefficient de dilatation thermique, est sujet à la déformation. Les pièces imprimées présentent alors des propriétés anisotropes. De plus, la faible adhésion inter-couches ainsi qu’une porosité élevée peuvent affecter aussi bien les propriétés mécaniques, fonctionnelles et esthétiques des pièces.
Une alternative pour améliorer les propriétés des pièces en ABS imprimées par FDM
Il est certain qu’un traitement thermique des pièces réalisé après l’impression permettrait d’améliorer leur propriété mécanique. Cependant, un tel post-traitement peut également affecter les tolérances dimensionnelles et générer des déformations. Cette étude vise donc à analyser l’impact du traitement thermique réalisé au cours du processus d’impression FDM (in situ) sur les déformations, l’adhésion inter-couches, la porosité et les propriétés mécaniques des pièces.
Développement de technologie, analyses approfondies et une équipe d’experts pour l’avancement de la science
L’équipe de COALIA a récemment développé un procédé de Fabrication par Dépôt de Filament Fondu avec Rayonnement (FFF-R) (1, 2). Ce dernier se compose d’un système de chauffage radiant annulaire monté sur le bloc chauffant d’une imprimante FFF standard. Cette approche permet alors de chauffer aussi bien le polymère avant son extrusion que la couche de déposition, et ce pour assurer l’adhésion entre les différentes couches de matériel et réduire les taux d’anisotropie et la porosité.
Ainsi, pour évaluer l’impact du traitement thermique in situ sur les pièces en ABS produites par FDM, des éprouvettes ont été imprimées à différentes températures et pour des vitesses d’impression variables.
Les propriétés microstructurales, physiques et mécaniques des échantillons ont par la suite été analysées par microtomographie aux rayons X (µ-CT), microscopie à force atomique (AFM), profilométrie optique, analyse mécanique dynamique (DMA) ainsi que des essais de traction.
À des fins de compréhension, ces mêmes analyses ont également été effectuées sur des échantillons en ABS imprimés par FDM mais n’ayant pas subi de traitement thermique.
Une étude couronnée de succès
La technologie FFF-R ou encore l’application d’un traitement thermique in situ lors du processus d’impression FDM des pièces en ABS a permis d’améliorer l’adhésion intercalaire des couches de matériau comparativement à des échantillons non traités. De plus, les échantillons traités présentent une porosité inférieure (1,6 %) à celle des échantillons non traités (3 %). Enfin, la résistance à la traction, le module d’élasticité et l’allongement à la rupture des échantillons traités ont augmenté respectivement de 62 %, 6 % et 110 % par rapport à ceux non traités.
Vous souhaitez en apprendre davantage, consultez notre publication dans la revue The International Journal of Advanced Manufacturing Technology de Springer : https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-024-14656-8
(2) https://www.ic.gc.ca/opic-cipo/cpd/eng/patent/3177826/summary.html?query=3177826&type=basic_search