Développement d’une nouvelle approche de déposition de matière permettant de maximiser la densité et minimiser les déviations dimensionnelles des pièces à vert fabriquées par extrusion de matériau

Côté, Raphaël (2024). Développement d’une nouvelle approche de déposition de matière permettant de maximiser la densité et minimiser les déviations dimensionnelles des pièces à vert fabriquées par extrusion de matériau. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fabrication additive par extrusion de matériau (MEX) de polymères fortement chargés montre un potentiel significatif pour le prototypage et la fabrication rapide de composants métalliques à géométrie complexe. Cependant, un défi important de ce procédé réside dans l’élimination des vides rhomboïdes à l’intersection des quatre joncs de matière extrudés présentant une forme oblongue. La taille et la disposition de ces vides, qui limitent la densité à vert atteignable par cette technique, est principalement influencé par la méthode de dépôt. Pour aborder ce défi, une étude de l’impact de certain des paramètres d’extrusion (hauteur de couche, vitesse d’extrusion, température de buse et température du plateau) a été réalisé afin de déterminer la meilleure plage opérationnelle d’une nouvelle imprimante 3D utilisant le principe du piston pour fabriquer des pièces avec un mélange de poudre d’acier inoxydable (17-4PH). Une étude approfondie de l’impact de différentes approches de dépôt a été ensuite menée pour analyser l'influence des paramètres d'impression sur les propriétés dimensionnelles et la densité des pièces produites. Les résultats ont montré qu'en utilisant une stratégie de chevauchement ponctuelle (avec un taux de chevauchement de 20 %), il était possible d'éliminer les vides rhomboïdes intercouches tout en minimisant les écarts dimensionnels des pièces fabriquées par MEX. Aussi, il a été constaté que certaines stratégies, comme le multiplicateur de débit, bien que populaires, pouvaient entraîner des écarts dimensionnels significatifs de la valeur nominale. Ces écarts sont notamment dû à la sur extrusion de matière et la pression importante causée par cette stratégie dans la tête d’extrusion. Il a également été démontré que la stratégie de chevauchement ponctuelle, lorsqu'elle est appliquée à un niveau de 20 %, permettait d'obtenir des pièces avec une variation dimensionnelle maximale limitée à 50 μm, sans compromettre la densité. Cette conclusion confirme cette nouvelle approche est supérieure pour produire des pièces exemptes de défauts avec une variation dimensionnelle minimale. Ces résultats sont d'une grande importance pour l'amélioration de la qualité et de la précision des pièces métalliques produites par MEX, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles opportunités dans divers secteurs industriels.

Titre traduit

Development of a new material deposition approach to maximize density and minimize dimensional deviations in green parts produced by material extrusion

Résumé traduit

Additive manufacturing by material extrusion (MEX) of highly filled polymers shows significant potential for prototyping and rapid manufacturing of complex geometry metallic components. However, a major challenge of this process lies in eliminating the rhomboid voids at the intersection of the four extruded material strands, which present an oblong shape. The size and arrangement of these voids, which limit the achievable green density by this technique, are primarily influenced by the deposition method. To address this challenge, a study on the impact of certain extrusion parameters (layer height, extrusion speed, nozzle temperature, and bed temperature) was conducted to determine the optimal operational range of a new 3D printer using the piston principle to fabricate parts with a stainless-steel powder feedstock (17-4PH). A thorough investigation into the impact of different deposition approaches was then carried out to analyze the influence of printing parameters on the dimensional properties and density of the produced parts. The results showed that by using first bead overlap strategy (with a 20% overlap rate), it was possible to eliminate interlayer rhomboid voids while minimizing dimensional deviations of parts manufactured by MEX. Additionally, it was found that certain strategies, such as the flow multiplier, although popular, could lead to significant dimensional deviations from the nominal value. These deviations are mainly due to material over-extrusion and the significant pressure caused by this strategy in the print head. It was also demonstrated that the first bead overlap strategy, when applied at a 20% level, enabled the production of parts with a maximum dimensional variation limited to 50 μm, without compromising density. This conclusion confirms that this new approach is superior for producing defect-free parts with minimal dimensional variation. These results are of great importance for improving the quality and precision of metallic parts produced by MEX, thus paving the way for new opportunities in various industrial sectors.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure et à l’IMT nord Europe comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 134-150).
Mots-clés libres:	fabrication additive, extrusion de matériau, approche de dépôt, densité à vert, mélange poudre-liant, métallurgie des poudres, chevauchement des joncs, vides rhomboïdes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent Soulestin, Jérémie
Codirecteur:	Codirecteur Demarquette, Nicole R.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 nov. 2024 17:11
Dernière modification:	13 nov. 2024 17:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3496

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