Assemblage de composite carbone hybride thermoplastique - thermodurcissable : personnalisation de structures complexes – SHORYUKEN
Assemblage de composite carbone hybride thermoplastique - thermodurcissable : personnalisation de structures complexes
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Enjeux et objectifs
Dans l'industrie moderne, l'impression 3D révolutionne la fabrication de composants automobiles, ferroviaires, aéronautiques, ainsi que des prothèses et orthèses. Ce procédé transforme les modèles 3D en objets réels, permettant la production de pièces complexes et sur mesure, sans le coût de moules spécifiques. Il offre une économie de temps et de matériaux, essentielle pour les prototypes et les produits finaux. Néanmoins, l'impression 3D de composites structuraux, notamment ceux renforcés par des fibres, présente des défis, car les pièces produites ont souvent des propriétés mécaniques limitées. L'industrie tend vers l'utilisation de fils renforcés de fibres continues pour surmonter ces limitations, offrant ainsi une meilleure performance mécanique. Ces fils combinent thermoplastiques et fibres de carbone ou de verre, ne fondant pas lors de l'impression et conférant solidité et résistance aux objets fabriqués. Cependant, une limitation majeure demeure : les fibres ne renforcent la pièce que dans une seule direction, ce qui est insuffisant pour les contraintes tridimensionnelles. Le projet SHORYUKEN vise à briser cette barrière technologique en mariant impression 3D et soudage laser. Cette approche innovante permet de créer des composants composites dans différentes orientations, puis de les assembler, offrant une résistance mécanique multidirectionnelle, essentielle pour répondre aux diverses sollicitations des pièces en usage réel.
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L’optimisation de ce processus de conception et de production novateur s’appuie en outre sur le développement d’outils de modélisation et de simulation intégrant les couplages multi-physiques. C’est-à-dire comportant des informations sur l’interaction entre le laser et la matière, les comportements thermiques et mécaniques. Grâce à l'ingénierie virtuelle, il est possible de déterminer les conditions optimales d'assemblage qui assurent une qualité supérieure de l'interface de soudage. À l’échéance, le procédé (https://youtu.be/rWZRLFIKUgM?si=J9z2Rj9_J6NOw3OA) et l’outil numérique développés pourraient convaincre d’autres secteurs industriels comme le ferroviaire et l’automobile, pour la personnalisation et la fonctionnalisation sur mesure de pièces en petites et moyennes séries. Pour les entreprises du secteur des transports, l’allègement notable de pièces ainsi conçues et fabriquées permettrait de réduire la consommation de carburant, et par conséquent de minimiser les émissions de carbone, préoccupantes dans le contexte environnemental global actuel. La transition vers des matériaux plus verts représente également une opportunité future. En outre, le projet SHORYUKEN envisage de valoriser ses résultats à travers la création de capsules pédagogiques numériques. Ces ressources viendraient enrichir les programmes de formation de niveau Master proposés par les écoles de l'IMT, contribuant ainsi à la formation de la prochaine génération d'ingénieurs.
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Le, A.-D.; Akue Asseko, A.-C.; Cosson, B.; Krawczak, P. Investigating the Effect of Interface Temperature on Molecular Interdiffusion during Laser Transmission Welding of 3D-Printed Composite Parts. Materials. 2023, 16, 18, 6121.
Le, A.-D.; Akue Asseko, A.-C.; Nguyen, T.-H.-X.; Cosson, B. Laser intensity and surface distribution identification at weld interface during laser transmission welding of thermoplastic polymers: A combined numerical inverse method and experimental temperature measurement approach. Polymer Engineering & Science. 2023, 63, 2795–2805.
Le, A.-D.; Cosson, B.; Akue Asseko, A.-C. Investigation of the effect of light scattering on transmitted laser intensity at the weld interface during laser transmission welding of 3D printed thermoplastic parts, International Journal Of Material Forming. 2023, 6, 65.
Akue Asseko, A.-C. Des impressions 3D plus résistantes, Blog I’MTech, 22 Avril 2022. imtech.imt.fr/2022/04/28/des-impressions-3d-plus-resistantes/
Les procédés de fabrication additive (ou impression 3D) ont atteint une certaine maturité industrielle. Ils permettent de fabriquer des pièces à géométrie complexe, personnalisées en petite série, dans un délai et pour un coût raisonnables sans nécessiter d’outillage spécifique. Cependant, la fabrication additive de pièces composites à fibres continues reste limitée par l’orientation des fibres dans les plans d’impression. L’assemblage de composants composites imprimés 3D par soudage laser permet a contrario de créer des pièces 3D finales fonctionnelles de grandes tailles ayant des performances mécaniques élevées (renforts dans toutes les directions de l’espace) comparables à celles de pièces composites hélas généralement limitées en formes et produites par les procédés classiques avec un outillage couteux. Coupler ces deux procédés pour produire des pièces 3D composites fonctionnalisées et personnalisées dotées de très hautes performances mécaniques est inédit, et autorise la flexibilité et l’agilité de production avec changement rapide de gammes attendus par l’Industrie du Futur. L’optimisation de ce processus de production novateur mettant en œuvre une hybridation de technologies s’appuiera en outre sur le développement d’un outil de simulation intégrant les couplages multi-physiques, contribuant au déploiement de l’Industrie 4.0. Ainsi, deux types de réalisations sont attendus au terme du projet : un outil de simulation numérique du procédé, et un démonstrateur de pièce (open source) de structure fonctionnalisée optimisée.
Coordination du projet
ANDRE CHATEAU AKUE ASSEKO (Centre d'Enseignement de Recherche et d'Innovation Matériaux et Procédés)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
CERI MP Centre d'Enseignement de Recherche et d'Innovation Matériaux et Procédés
Aide de l'ANR 331 535 euros
Début et durée du projet scientifique :
janvier 2022
- 48 Mois
