Heat transfer and adhesion study at the filament scale in the FFF (Fused Filament Fabrication) additive manufacturing process

Le procédé de fabrication additive FFF (Fused Filament Fabrication) consiste à extruder un polymère fondu selon un chemin dont les trajectoires sont définies à partir d’une définition 3D de la pièce. L’un des inconvénients majeurs de ce procédé est la diminution des propriétés mécaniques des pièces par rapport à la fabrication conventionnelle par injection. Cette diminution des propriétés est liée d’une part à la présence de macroporosités dans la pièce et d’autre part à l’adhésion limitée entre les couches déposées. Ces deux phénomènes dépendent fortement de l’histoire thermique du polymère. Ce travail de thèse permet de prédire les conditions thermiques menant à une adhésion suffisante, pour fabriquer des pièces assez résistantes mécaniquement. Un banc instrumenté a ainsi été conçu et développé à partir d’une imprimante 3D, afin de mesurer le refroidissement, à l’échelle du cordon, de pièces imprimées en PEKK. En parallèle, la thermique du procédé a été simulée à l’aide d’un modèle, validé avec les données expérimentales apportées par le banc. L’adhésion a également été modélisée en décrivant les phénomènes de coalescence et de cicatrisation d’interface. Les propriétés physiques nécessaires aux modèles ont été caractérisées avec la prise en compte de leurs thermodépendances. Une étude paramétrique a donc permis de quantifier l’influence de chaque paramètre sur la thermique du polymère, ainsi que sur l’adhésion intercouche, participant ainsi à la définition de la fenêtre procédé.The FFF (Fused Filament Fabrication) additive manufacturing process consists in extruding a molten polymer along a path with trajectories defined from a 3D definition of the part. One of the major drawbacks of this process is the reduction of the mechanical properties of the parts compared to conventional manufacturing by injection. On the one hand, this reduction of properties is linked to the presence of macroporosities in the part and, on the other hand, to the limited adhesion between the deposited layers. These two phenomena strongly depend on the thermal history of the polymer. This thesis work gives the prediction of the thermal conditions leading to sufficient adhesion, to manufacture parts that are mechanically strong enough. An instrumented bench was developed from a 3D printer in order to measure the cooling, at the filament scale, of the parts printed in PEKK material. In parallel, heat transfer of the FFF process were simulated using a model, validated with the experimental data provided by the bench. The adhesion was also modeled by describing the phenomena of coalescence and interface healing. The physical properties necessary for the models were characterized with the consideration of their thermodependencies. A parametric study was therefore performed in order to quantify the influence of each parameter on the temperature of the polymer, as well as on the interlayer adhesion, thus participating in the definition of the process window