Conception, fabrication et validation d’une imprimante 3D pour les mélanges poudre-liant

Miclette, Olivier (2022). Conception, fabrication et validation d’une imprimante 3D pour les mélanges poudre-liant. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fabrication additive par extrusion de polymère hautement chargé (MEAM-HP) est un procédé récent qui permet de fabriquer des pièces métalliques denses en quatre étapes. La mise en forme de la pièce est réalisée par impression 3D où le mélange fondu poudre-liant est déposé par une buse sur un plateau d’impression de façon similaire au procédé de fil fondu pour les polymères. Plusieurs études se sont concentrées sur l’optimisation des paramètres d’impression dans le but d’éliminer les défauts intercouches dans les pièces. Ces défauts situés à la jonction des lignes d’impression sont en réalité des trous qui diminuent la masse volumique des pièces et affectent négativement les propriétés mécaniques. L’optimisation des paramètres d’impression permet de réduire la taille de ces défauts, mais ne permet pas de les éliminer complètement. Peu d’études ont investigué l’utilisation des mélanges à basse viscosité qui ont pourtant le potentiel de réduire l’occurrence des défauts en permettant au mélange de mieux épouser la forme des lignes d’impression précédemment déposées. Ce travail a pour objectif de développer une nouvelle imprimante capable d’imprimer des pièces en utilisant des mélanges poudre-liant à faible viscosité, de démontrer ses performances et d’ultimement confirmer si l’utilisation de tels mélanges à faible viscosité permet de réduire ou même d’éliminer les défauts intercouches. D’abord, une imprimante munie d’un extrudeur à piston a été conçue et fabriquée. Puis, la précision de déplacement du plateau d’impression et le contrôle du débit de l’extrudeur ont été validés. Ensuite, la température d’extrusion et du plateau d’impression ainsi que le volume de retrait de l’extrudeur ont été optimisés pour réduire les défauts d’impression. Pour terminer, six pièces complexes ont été imprimées pour déterminer si les mélanges à faible viscosité peuvent être utilisés pour l’impression de pièces fonctionnelles. Le mélange utilisé dans cette étude est composé de 65 vol. % de poudre d’acier inoxydable 17-4PH, 23 vol. % de cire de paraffine, 10 vol. % d’éthylène-acétate de vinyle et 2 vol. % d’acide stéarique. Durant la préparation du mélange, le brassage sous vacuum d’une minute s’est avéré suffisant pour atteindre la densité relative maximale de 99.8%, soit 1.2% de plus que celle sans dégazage. Le volume de retrait optimal permettant d’éviter l’écoulement naturel du mélange par la buse lorsque l’extrudeur est à l’arrêt et de contrôler précisément les départs et arrêts des séquences d’extrusion est de 3.6 mm3 . Les températures d’extrusion et de la surface d’impression de 85°C et 52.5°C respectivement ont permis d’éliminer les défauts extérieurs et intercouches pour une pièce imprimée simple. Durant ces impressions, une technique de chevauchement des lignes d’impression novatrice a été utilisée pour éliminer la présence de défauts intercouches. Finalement, l’impression de pièces avec des caractéristiques telles que des parois minces, des murs à 45°, des zones non supportées et des surfaces complexes a démontré que les mélanges à faible viscosité peuvent être utilisés dans le procédé MEAM-HP.

Titre traduit

Design, fabrication and validation of a 3D printer for processing powder-binder feedstock

Résumé traduit

Material Extrusion Additive Manufacturing of highly-filled polymers (MEAM-HP) is a recent process that allows dense metal parts to be manufactured in four steps. The shaping of the part is carried out by 3D printing where the molten feedstock is deposited by a nozzle on a build platform in a manner similar to the fused filament fabrication process for polymers. Several studies focus on optimizing printing parameters with the aim of eliminating interlayer defects. These defects located at the junction of the printing lines are in fact holes which decrease the density of the parts and negatively affect the mechanical properties. Optimizing the print parameters reduces the size of these defects, but does not completely eliminate them. Few studies have investigated the use of low-viscosity feedstocks, which have the potential to reduce the occurrence of defects by allowing the feedstock to better conform to the shape of previously deposited print lines. This work aims to develop a new printer capable of printing parts using low-viscosity powder-binder feedstocks, demonstrate its performance and ultimately confirm whether the use of such low-viscosity mixtures can reduce or even eliminate interlayer defects. First, a printer with a piston extruder was designed and built. Then, the precision of movement of the build platform and the control of the extruder flow rate were validated. Next, the extrusion and build platform temperature as well as the extruder retraction volume were optimized to reduce print defects. Afterwards, six complex parts were printed to determine if low-viscosity feedstocks can be used for printing functional parts. The feedstock used in this study is composed of 65 vol. % 17-4PH stainless steel powder, 23 vol. % paraffin wax, 10 vol. % ethylene vinyl acetate and 2 vol. % stearic acid. During the preparation of the mixture, mixing under vacuum for one minute was sufficient to reach the maximum relative density of 99.8%, i.e. 1.2% more than that without degassing. The optimal retraction volume to avoid oozing through the nozzle when the extruder is stopped and to precisely control the starts and stops of the extrusion sequences is 3.6 mm3 . The extrusion and print surface temperature of 85°C and 52.5°C respectively helped eliminate outer and interlayer defects on a single printed part. During these prints, a novel technique of overlapping print lines was used to eliminate the presence of interlayer defects. Finally, printed parts with features such as thin walls, 45° walls, unsupported areas and complex surfaces demonstrated that low viscosity feedstocks can be used in the MEAM-HP process.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 105-114).
Mots-clés libres:	fabrication additive par extrusion de pâte métallique (MEAM-HP), impression 3D métallique, mélange poudre-liant, technique de chevauchement
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Brailovski, Vladimir
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	05 déc. 2022 14:09
Dernière modification:	05 déc. 2022 14:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3111

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