Élaboration et caractérisation des nouveaux mélanges poudre-liant à basse viscosité pour l'impression 3D

Omrane, Mohamed Ahmed (2022). Élaboration et caractérisation des nouveaux mélanges poudre-liant à basse viscosité pour l'impression 3D. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fabrication additive par extrusion de matière est une technologie récente dans la fabrication des pièces polymériques, céramiques, métalliques et même composites. Après son succès dans la fabrication des pièces à base de polymère, elle était introduite pour les autres matériaux sous plusieurs formes, parmi eux l’impression 3D par extrusion de matière à base de piston. Cette technique favorise comme la majorité de celle de la fabrication additive, la production des pièces de géométrie complexe à un cout très faible en comparaison avec d'autres méthodes de fabrication traditionnelle et ce spécialement pour les pièces à faible densité de production, d’autre part, elle favorise le prototypage de pièces obtenues par le moulage par injection, métallique ou céramique, avec des propriétés similaires. La première étape dans cette technologie de fabrication est la formulation d’un mélange adéquat pour l’impression fournissant ainsi les meilleures propriétés après la phase de déliantage et de frittage. L’étude du comportement rhéologique d’un mélange en impression 3D est donc cruciale pour l’obtention des pièces avec des formes et des dimensions exactes, ainsi pour le processus en termes de température et paramètres d’impression sera optimisé. Le choix des proportions des liants et la quantité de poudres ont un impact sur les propriétés du produit final, et sur la phase de déliantage et de frittage. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet est d’étudier l’impact des liants et leurs proportions sur le comportement rhéologique des mélanges à base d’acier inoxydable dédiés à l’impression 3D par extrusion de matière. Pour atteindre ces objectifs, la stabilité et la répétabilité des mesures de viscosité ont été effectué, ensuite l’influence de l’EVA, de la charge solide et de la température ont été mesurée. Finalement, des impressions à trois (3) températures (75°C, 85°C, 95°C) d’un mélange à 65 vol. % de chargement solide de poudre, 23 vol.% de cire de paraffine (PW), 10 vol.% d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) et 2 vol.% d’acide stéarique (SA) ont été réalisé pour déterminer les meilleurs résultats de mise en forme. Les analyses des expériences réalisées ont démontré l’effet de la composition du liant et de la température sur le comportement d’écoulement des mélanges évalués, elles ont également aidé à définir que pour chaque mélange il existe un chargement solide critique à respecter, le pourcentage volumique d’EVA doit être bien sélectionné pour que les dimensions et la forme du produit à imprimer soient fiables aux modèles conçus. Pour les pièces imprimées, les résultats ont confirmé l’influence de la température sur la qualité du produit, plus précisément sur la coalescence et l’adhésion des couches. Une température de 85°C définit la meilleure température d’impression pour le mélange imprimé après validation par simulation numérique du taux de cisaillement en combinaison avec les paramètres de l’imprimante.

Titre traduit

Characterization of low viscosity powder-binder feedstocks assigned to 3D printing

Résumé traduit

Material extrusion additive manufacturing is a recent technology for the construction of polymeric, ceramic, metallic and even composite parts. After the success of the use of this technology in the production of based-polymer parts, it was introduced for other materials in several forms, among them the 3D printing plunger-based MEX. This technique promotes, as the majority of AM techniques, the production of parts with complex geometry at a practically low cost compared to traditional manufacturing methods and especially parts with low production density, on the other hand, it favors the prototyping of parts obtained by metal or ceramic injection molding with similar properties. The first step in this manufacturing technology is the formulation of a suitable mixture for printing and that provides the best properties after the debinding and sintering phase. Therefore, the study of the rheological behavior of a feedstock in 3D printing is crucial to obtain parts with exact shapes and dimensions, as well as to optimize the whole process in terms of temperature and printing parameters. The choice of binders’ proportions and the quantity of powders have an impact on the properties of the final product, and on the debinding and sintering phase. In this context, the objective of the project is to study the impact of binders and their proportions on the rheological behavior of stainless-steel based mixtures dedicated to 3D printing by material extrusion. To achieve these objectives, the stability and repeatability of viscosity measurements were performed, then the influence of EVA, solid loading and temperature were measured. Finally, printing at three (3) temperatures (75°C, 85°C, 95°C) of a mixture with 65 vol. % solid powder loading, 23 vol.% paraffine wax (PW), 10 vol.% ethylene vinyl acetate (EVA) and 2 vol.% stearic acid (SA) were performed to determine the best shaping results. The analysis of the experiments carried out showed the effect of the composition of the binder and the temperature on the flow behavior of the evaluated feedstocks, these analyses helped to define that for each mixture there is a critical solid loading to be respected, the volume percentage of EVA must be well selected so that the dimensions and shape of the product to be printed will be reliable to the designed models. For the printed parts, the results confirmed the influence of the temperature on the quality of the product, more precisely on the coalescence and the adhesion of the layers. A temperature of 85°C was mentioned as the best printing temperature for the printed mixture after validation by numerical simulations of the shear rate in combination with the printer parameters.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 75-84).
Mots-clés libres:	extrusion de matière, fabrication additive, impression 3D, rhéologie, poudre métallique, liant, mélange
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	30 janv. 2023 19:36
Dernière modification:	31 août 2023 04:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3134

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