La fabrication additive permet de répondre aux exigences de réactivité et de rapidité de création d’un produit industriel en réduisant les phases de développement et d’industrialisation. Parmi les technologies prometteuses pour les pièces en thermoplastiques, le procédé de fusion sur lit de poudre (SLS: Selective Laser Sintering) se distingue en raison de sa capacité de réalisation des géométries à faibles tolérances dimensionnelles. Ce procédé est basé sur le déplacement d’un faisceau laser qui interagit avec le lit de poudre. L’attractivité de la fabrication additive contrebalance cependant avec le choix des matériaux actuellement utilisables: ce sont principalement les polyamides. Les polyaryléthercétones (PAEK) adaptés au procédé SLS sont encore rares sur le marché et couteux. Dans ces travaux, différentes poudres ont été caractérisées pour mieux comprendre les propriétés nécessaires à leur utilisation en SLS et définir leur fenêtre de température de processabilité. L'absence de poudre de PEEK adaptée nous a conduit à élaborer un nouveau matériau en mélangeant le PEEK à un thermoplastique amorphe, le polyethersulfone (PESU). Les mélanges initialement immiscibles ont été compatibilisés dans l’objectif d’améliorer leurs propriétés mécaniques et pour retarder leur cristallisation au refroidissement. Pendant la fabrication, de nombreux paramètres du procédé contrôlent la fusion de la poudre, et ainsi les propriétés des pièces et leur précision dimensionnelle. Ainsi, l'analyse statistique de la réponse de l'ensemble des paramètres a fait l’objet d’un plan d’expériences pour en extraire les paramètres les plus influant. L’étude paramétrique, conduite avec la poudre polyamide, a été réalisée en faisant varier cinq paramètres et en regardant leur influence sur cinq groupes de réponses relatives aux propriétés physico-chimiques, physiques, mécaniques et thermiques ainsi qu’aux durées d’impression des pièces. Le plan d’expériences a permis d’établir les modèles mathématiques des surfaces de réponses liant les réponses aux facteurs et à leurs interactions. Ces modèles statistiques ont été utilisés pour définir un jeu de paramètres optimal. Enfin, une approche combinant expérimental et simulation numérique a été menée pour estimer l’influence de chaque passage du laser sur le taux de cristallinité et les propriétés mécaniques de chaque couche. Les résultats montrent que l’échauffement dû aux passages successifs du laser couvre une épaisseur équivalente à 14 couches déposées. Cependant, seules les 4 couches supérieures sont affectées thermiquement de manière significative par le lasage d’une couche de poudre et montrent ainsi une évolution de leur taux de cristallinité. |
Additive manufacturing is attractive because it allows to reduce significantly the development and industrialization phases of part design. Among the promising technologies for thermoplastic parts, the SLS (Selective Laser Sintering) process stands out because of its ability to produce geometries with low dimensional tolerances. This process is based on the displacement of a laser beam that interacts with the powder bed. The attractiveness of additive manufacturing counterbalances, however, with the choice of currently available materials: these are mainly polyamides. Polyaryletherketones (PAEK) suitable to SLS process are still rare on the market and expensive. In this work, various powders have been characterized to deeper understand the properties necessary for their use in SLS and to define their processability temperature window. The absence of suitable PEEK powder led us to develop a new material by blending PEEK with an amorphous thermoplastic, polyethersulfone (PESU). The initially immiscible blends have been compatibilized in order to improve their mechanical properties and to delay their crystallization on cooling.
During manufacturing, many process parameters control the melting of the powder, and thus the properties of the parts and their dimensional accuracy. Thus, a statistical analysis of the response of the parameters was led by a design of experiments to extract the most influential parameters. The parametric study, done with the polyamide powder, was carried out by varying five parameters and by looking at their influence on five groups of responses relating to the physical, mechanical and thermal properties as well as to the printing duration of the parts. The design of experiments made it possible to establish the mathematical models of the response surfaces linking the responses to factors and their interactions. These statistical models were used to define an optimal set of parameters. Finally, a combined experimental and numerical simulation approach was conducted to estimate the influence of each laser pass on the degree of crystallinity and the mechanical properties of each layer. The results show that the heating due to the successive laser passes cover a thickness equivalent to 14 deposited layers. However, only the 4 upper layers are significantly thermally affected by the laser pass on a powder layer and thus show an evolution of their degree of crystallinity. |