3D-printing of thermoplastic structures by FDM using heterogeneous infill and multi-materials: An integrated design-advanced manufacturing approach for factories of the future

Frederic Roger (1, 2, 3) , Patricia Krawczak (1, 2, 3)

1 Mines Douai EMD - École des Mines de Douai
2 TPCIM - Département Technologie des Polymères et Composites & Ingénierie Mécanique
3 IMT Lille Douai - Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai

Les usines du futur ambitionnent de mettre en oeuvre des approches de conception-production intégrées dans une démarche de « fabrication avancée ». Or, la combinaison de la fabrication additive (ou impression 3D) et de l'optimisation topologique du design offre de nouvelles opportunités pour créer des produits plus légers à impact environnemental réduit. Le procédé d'impression 3D par dépôt de fil fondu (FDM) est un procédé de fabrication additive très répandu et économique, et pour lequel le contrôle des paramètres de fabrication est très ouvert. L'objectif de ce travail est d'améliorer la conception des structures imprimées en 3D en utilisant l'optimisation topologique pour définir l'enveloppe extérieure des objets, puis d'utiliser soit un remplissage hétérogène de l'objet avec différents motifs cellulaires avec des gradients de densité ou d'utiliser plusieurs matériaux pour atteindre les propriétés d'usage ciblées. En se basant sur la simulation par éléments finis de la réponse mécanique de la géométrie optimisée, la distribution des contraintes mécaniques permet de localiser les zones critiques à renforcer par un meilleur remplissage (plus dense ou avec des motifs optimaux) ou par l'utilisation de matériaux renforcés. Dans le cas d'étude, deux matériaux thermoplastiques sont combinés : l'ABS vierge et de l'ABS conducteur électrique qui est chargé de noir de carbone. Dans l'approche d'optimisation proposée, le polymère conducteur peut être remplacé par un autre système polymère (polymère renforcé avec des charges, fibres courtes ou nanoparticules) pour accroître la rigidité. Lorsque la géométrie optimale interne et externe de la pièce est définie, un autre challenge est de définir les meilleurs paramètres de fabrication. Lors de l'impression 3D avec remplissage hétérogène ou avec utilisation de plusieurs matériaux des interfaces fragiles sont créées dont la résistance mécanique est fortement liée au choix du chemin de dépôt de fil fondu. Ce point est aussi évoqué dans cet article.

Mots clés: deposition modeling; topological optimization; multimaterials; inner structures

Domaines: Mécanique [physics]

Frederic Roger, Patricia Krawczak. 3D-printing of thermoplastic structures by FDM using heterogeneous infill and multi-materials: An integrated design-advanced manufacturing approach for factories of the future. CFM 2015 - 22ème Congrès Français de Mécanique, Aug 2015, Lyon, France. ⟨hal-03444817⟩