Valorisation de rebuts de production de préimprégnés composites thermoplastiques pour la fabrication additive

Richard Soucy, Ruan-Isabelle (2025). Valorisation de rebuts de production de préimprégnés composites thermoplastiques pour la fabrication additive. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fabrication de rouleaux de préimprégnés à base de fibre de carbone unidirectionnelle et matrices thermoplastiques implique la découpe des bords, car ceux-ci ne respectent pas les spécifications en termes d’épaisseur et de teneur en fibres. Ces rebuts de production, appelés « tape edge trim » (TET), représentent jusqu’à 15% de la masse du préimprégné et sont typiquement envoyés vers les sites d’enfouissement.

L’objectif de ce mémoire est de présenter une méthode de valorisation des chutes de préimprégnés thermoplastiques par le procédé de fabrication additive par dépôt de granules fondus (FGF). Les TET à base de fibre de carbone/PEKK sont d’abord transformés en granules imprimables. Pendant cette transformation, du polymère PEEK pur est ajouté aux granules afin de réduire le taux de fibre et améliorer les propriétés d’impression.

Des analyses DSC sont d’abord réalisées sur ces granules afin d’étudier la dégradation du PEEK et du PEKK après un vieillissement à 380 °C ou 400 °C en conditions oxydatives. Une dégradation des polymères attribuée à des réactions de réticulation est remarquée par une réduction de la température de cristallisation et une réduction du taux de cristallinité. Cependant, aucune dégradation n’est observée sur des échantillons fabriqués par FGF, démontrant que le procédé d’impression permet d’éviter ces réactions en raison de temps de cycles courts et d’une faible présence d’oxygène dans la tête d’impression.

Un robot d’impression FGF grande échelle à six axes est utilisé pour imprimer des boîtes à partir des granules recyclés. Comme cela est généralement constaté pour les pièces fabriquées par des techniques d’extrusion, les spécimens de traction et de flexion standards extraits des boîtes imprimées par FGF présentent des propriétés mécaniques anisotropes. Des boîtes supplémentaires sont fabriquées par FGF en utilisant des granules obtenus à partir de fragments broyés de boîtes FGF afin d’évaluer la possibilité de recycler le matériau une deuxième fois. Une diminution de la rigidité et de la résistance du matériau est alors observée, ce qui est attribué à la scission des chaînes polymères et à la réduction de la longueur des fibres survenant lors du broyage des pièces imprimées.

Ce mémoire démontre la possibilité de valoriser des granules CF/PEKK-PEEK issus des rebuts de production des préimprégnés thermoplastiques pour des applications telles que la fabrication de moules par FGF. Pour terminer, un moule destiné à la fabrication d’un raidisseur est imprimé par FGF à titre de démonstrateur.

Titre traduit

Valorization of carbon fibre/thermoplastic prepreg production waste for additive manufacturing

Résumé traduit

The manufacturing of pre-impregnated rolls made from unidirectional carbon fibre and thermoplastic-matrix involves edge trimming, as they do not meet the specifications in terms of thickness and fibre content. This prepreg waste, referred to as tape edge trim (TET) waste, account for up to 15% of the pre-impregnated mass and are typically sent to landfills.

The objective of this thesis is to present a method for valorizing thermoplastic pre-impregnated waste through additive manufacturing process using fused-granular-fabrication (FGF). The TET waste made from carbon fibre/PEKK, are first transformed into printable pellets. During this process, neat PEEK polymer is added to the pellets to reduce the fibre content and improve the printing properties.

DSC analyses are performed on these pellets to study the degradation of PEEK and PEKK after aging at 380 °C or 400 °C under oxidative conditions. Polymer degradation, attributed to crosslinking reactions, is observed through a reduction in crystallization temperature and a decrease in crystallinity. However, no degradation is observed in FGF samples, demonstrating that the printing process prevents these reactions due to short cycle times and insufficient oxygen concentration in the extruder head.

A large-scale six-axis FGF robot is used to print boxes with recycled CF/PEKK-PEEK pellets. As is typically observed for parts manufactured using extrusion techniques, standard tensile and flexural specimens extracted from the FGF boxes exhibit anisotropic mechanical properties. Additional boxes are produced by FGF using pellets derived from shredded fragments of FGF boxes to evaluate the possibility to recycle the material a second time. A decrease in material stiffness and strength is then observed, which is attributed to the scission of polymer chains and the reduction in fibre length occurring during the shredding of the printed parts.

This thesis demonstrates the potential to use CF/PEKK-PEEK pellets derived from thermoplastic pre-impregnated production waste for applications such as mold fabrication using FGF. Finally, a mold designed for the manufacturing of a stiffener is printed using FGF as a demonstrator.

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 maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 87-94).
Mots-clés libres:	fabrication additive, composites thermoplastiques, PEEK, PEKK, recyclage
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dubé, Martine
Codirecteur:	Codirecteur Tabiai, Ilyass
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	30 juin 2025 15:11
Dernière modification:	30 juin 2025 15:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3649

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