Thermomechanical analysis of the Fused Filament Fabrication process : Experimental and numerical investigations
Analyse thermomécanique du procédé de fabrication additive par dépôt de filaments de polymère fondu : Études expérimentales et numériques
Résumé
This Ph.D. aims at the thermal and mechanical investigations of the additive manufacturing process of Fused Filament Fabrication (FFF). In this framework, the process is investigated at two different scales. Numerical models are developed to perform finite element simulations of the process. The numerical tools are supported by experimental observations and measurements. This is done to have a clear idea of the different phenomena occurring during the process as well as to assess the numerical models. A first model focuses on the polymer fluid dynamics in the liquefier and its extrusion and deposition on a substrate. This model enables to study the influence of the nozzle geometry and printing parameters on the polymer deposition behaviour. An experimental protocol is implemented to measure the deposited strand cross section. An empirical equation is proposed to predict the strand dimensions based on the printing parameters. A second model is developed to investigate the process on a larger scale. The first step aims to simulate the thermal behaviour of parts of several cm heights. Experimental measurements of the temperature via thermocouple are performed to assess the model. The thermal model is then adapted for the case of semi-crystalline polymers. The crystallisation kinetics is computed based on the cooling of the part. The results explain the degree of crystallinity measured experimentally. Solid mechanics is also implemented in the numerical model to account for part distortion upon cooling. An experimental protocol is developed to perform in-situ measurements of the strain during the printing of the part by digital image correlations. The combination of experimental and numerical investigations performed in this Ph.D. should provide the necessary information to better tailor the process depending on the needs of the user.
Cette thèse se concentre sur l’étude thermique et mécanique du procédé de fabrication additive par dépôt de filaments de polymère fondu. Ce procédé est étudié à différentes échelles. Des modèles numériques sont développés afin de simuler le procédé. Les outils numériques sont appuyés par des observations et mesures expérimentales. Cela est effectué pour avoir une idée claire des différents phénomènes intervenant lors du procédé, ainsi que pour valider les modèles numériques. Un premier modèle se concentre sur l’écoulement de polymère fondu dans le liquéfacteur ainsi que son extrusion et son dépôt sur le substrat. Ce modèle permet d’analyser l’influence de la géométrie de la buse ainsi que des paramètres d’impressions sur la dynamique du dépôt. Un protocole expérimental est mis en place afin de mesurer la taille des cordons en fonction de ces mêmes paramètres. Une loi empirique est ainsi proposée afin de prédire la géométrie du cordon deposé. Un second modèle est développé afin de simuler le procédé à plus grande échelle. La première étape est de simuler l’évolution thermique lors de la construction d’un mur de plusieurs centimètres de hauteur. Des mesures thermiques à l'aide thermocouples sont effectuées afin de valider le modèle numérique. Le modèle thermique est ensuite adapté pour le cas d’un polymère semi-cristallin. Le but est de pouvoir prédire la cinétique de cristallisation en fonction de la cinétique de refroidissement de la pièce. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les mesures de degré de cristallinité effectuées expérimentalement. Le modèle thermique est amélioré afin de tenir compte de la déformation de la pièce lors du refroidissement. Un protocole expérimentale est développé afin d’effectuer des mesures in-situ de la déformation de la pièce, par corrélations d’images, au cours du procédé. La combinaison d’études expérimentales et numériques devrait permettre de donner les outils nécessaires afin d’adapter les paramètres du procédés aux besoins des utilisateurs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)