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LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

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Page 1: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM
Page 2: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM OPTIMISATION MULTICRITERES ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 3: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM

THERMOPLASTIQUES

THERMODURS

ELASTOMERES

Amorphes Tg

Semi-cristallins Tg, Tf

Vulcanisés

Réseaux tridimensionnels

RECYCLABLE

NON RECYCLABLE

Page 4: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM

THERMOPLASTIQUES

THERMODURS

ELASTOMERES

RECYCLABLE

NON RECYCLABLE

ABS PLA NYLON PC PEEK

RESINES ACRYLATES EPOXYS

FDM

SLA

Page 5: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM

THERMOPLASTIQUES

THERMODURS

ELASTOMERES

RECYCLABLE

NON RECYCLABLE

THERMOPLASTIQUES ELASTOMERES

VITRIMERES VIDEO SUR LE SITE WEB DE L’ESPCI https://www.espci.fr/fr/actualites/2011/decouverte-un-nouveau-materiau

Ludwik Leibler (CNRS, France) : Lauréat du prix d'inventeur européen 2015 dans la catégorie recherche

Page 6: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES THERMOPLASTIQUES ELASTOMERES

alterner dans une même molécule

des segments souples et des segments rigides

segments rigides

segments souples

LES ELASTOMERES

LIENS CHIMIQUES IRREVERSIBLES

LIENS PHYSIQUES THERMO-REVERSIBLES

Page 7: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM

LES THERMOPLASTIQUES ELASTOMERES

segments rigides

segments souples

Le PLA souple

FDM

C’est un thermoplastique élastomère !

Ninja Flex (+ difficile à imprimer mais

compatible avec le PLA et biodégradable)

Le TPU (polyuréthanne thermoplastique)

thermoplastique élastomère très utilisé dans le domaine du médical

Page 8: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

PRINCIPE GENERAL DE l’OPTIMISATION

• Minimiser une fonction (critère) = fonction objectif

• Variables du problème (et leur valeur possibles)

• Contraintes d’optimisation = des limitations sur certaines

fonctions de ces variables

PLANS D’EXPERIENCES ET OPTIMISATION MULTICRITERE : RESOLUTION PAR ALGORITME GENETIQUE

Page 9: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

PLANS D’EXPERIENCES ET OPTIMISATION MULTICRITERE : RESOLUTION PAR ALGORITME GENETIQUE

PRINCIPE GENERAL DE l’OPTIMISATION MULTICRITERE

Problématique :

- Optimiser simultanément des critères qui peuvent

être contradictoires (productivité, qualité, coût, …)

Constat : La solution optimale n’existe pas

• Choix du meilleur compromis (aide à la décision)

• Recherche d’un ensemble de compromis

Page 10: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Zone impossible

Zone faisable

Productivité

Qualité Front de Pareto

D

C A

B

• Fonction objectif = Fonction de domination (F)

• Recherche des compromis Utilisation d’un algorithme génétique

Recherche d’un ensemble de compromis Concept de domination

Etudier parmi plusieurs points si certains sont meilleurs que d’autres

On ne peut pas trancher entre les points A, C et B

C est meilleur que D

PLANS D’EXPERIENCES ET OPTIMISATION MULTICRITERE : RESOLUTION PAR ALGORITME GENETIQUE

Page 11: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

OPTMISATION PAR ALGORITME GENETIQUE

Dans les années 70, de nouveaux outils ont été élaborés pour traiter les problèmes d’optimisation. Il s’agit d’« algorithmes génétiques » ou d’« algorithmes évolutionnaires » (Rechenberg (1973), Goldberg (1989)). D’une manière plus générale, on parle d’algorithmes d’évolution (Bäck (1996)), ceux-ci ayant été construits par analogie avec le modèle d’évolution naturelle des populations biologiques.

la terminologie des algorithmes génétiques est

confondue avec celle de la génétique :

Individu : élément ou point de l’espace des solutions

Chromosome : codage d’un individu

Génotype : représentation codée d’une solution

Phénotype : expression de cette solution

Performance : valeur d’une fonction F ou évaluation

d’un individu

Population : ensemble d’individus

Génération : passage d’une population à une autre

Parents : individus sélectionnés pour former une

nouvelle génération

Enfants : individus ayant un patrimoine génétique

issu des parents.

Page 12: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

PROCEDE CHOISI

Procédé continu contrôle de l’homogénéité

Grande flexibilité contrôle des propriétés du produit

Élaboration de polyuréthannes thermoplastiques élastomères (TPU)

par extrusion réactive

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 13: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Procédé d’extrusion réactive : Contraintes

Pureté

sans solvant minimum de catalyseur minimum de monomère résiduel

contrôle de l’alimentation en réactifs ratio constant des réactifs ;choix judicieux des points d’injection Profil de vis optimisé pour un bon mélange

Contrôle des propriétés

mécaniques

Contrôle de

la structure chimique

Domaine biomédical : Critères à respecter

Bio-Compatibilité

Bio-Stabilité

Propriétés mécaniques

Pas de destruction des tissus

Pas de microfissures, résistance à l’oxydation

Mise en place élasticité, rigidité...

Utilisation transitoire

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 14: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Propriétés des

matériaux/Fonctions

d’usage

Modélisation

Aide à la

décision

Optimisation

multicritère

Conditions opératoires

Conditions initiales

Plan d’expériences

Ensemble de

compromis

Conditions opératoires

recommandées

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

- Concentrations initiales

- Température, Vitesse de

vis,débit,…

- Conversions

- Composition chimique

- Température de transition vitreuse

- Élasticité

- extrudabilité

Critères multiples et

contradictoires

Page 15: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Pompe à engrenages

Débitmètre

prépolymère

D

Réacteur de

prépolymérisation

Diol + diisocyanate + catalyseur

Prépolymérisation (dans le réacteur)

Dispositif expérimental

Extension des chaînes (dans l’extrudeuse)

Pompe HPLC butanediol

P

Zones de mélange

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 16: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Réacteur principal et cuves de stockage pour l’isocyanate et l’alcool

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 17: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Polyuréthanne sortie de filière

Bac de refroidissement

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 18: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Conditions Opératoires

Température

Vitesse de vis

Débit total

Ratio des débits

en réactifs Nature du polyol

Qualité du produit

Taux de monomère

résiduel

Propriétés mécaniques

Transparence

Température

de transition vitreuse

Temps de séjour dans l’extrudeuse

Ecoulement :

mélange, taux de cisaillement

Taux de conversion dans

l’extrudeuse

PLANS d’EXPERIENCES

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 19: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

Mas

ses

mo

lair

es

mo

yen

ne

s e

n p

oid

s Th

éo

riq

ue

(g

/mo

l)

Masses molaires moyennes en poids expérimentales (g/mol)

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

Masses molaires moyennes en poids

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Tau

x ré

sid

ue

l d’i

socy

anat

e t

ori

qu

e (

%)

Taux résiduel d’isocyanate expérimental (%)

Taux résiduel d’isocyanate

MODELISATION

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 20: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

OPTIMISATION MULTICRITERE

Préférences du décideur Dialogue entre l’expert du procédé et le décideur détermination des valeurs des paramètres du modèle décisionnel

wk qk pk vk

Energie f1

Pureté f2

Masses molaires Temperature f4

de transition vitreuse

Rapport f5 modules d’Young

0.15 0.31 1.55 6.19

0.15 0.82 4.10 16.41

0.15 6 273 31 365 125 460

0.15 0.39 1.97 7.88

0.4 0.8 0.03 0.15

Masses molaires

Température de transition vitreuse

Rapport de modules d’Young

Valeurs ciblées

Minimum Coût énergétique

Monomère résiduel

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 21: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

7

17

27

37

47

57

67

77

87

0.5 5.5 10.5 15.5 20.5 25.5 30.5C

Tx (

%)

CE (kJ/s)

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

140 150 160 170 180 190 200

T (°C)

Q (

kg/h

)

Zone de Pareto (Conditions opératoires)

Front de Pareto (Critères)

2 zones distinctes

Zones Mn Débit Temp. Vitesse de vis (g.mol-1) (kg.h-1) (

C) (rpm) 1 1274 2.77 150.0 306 2 2024 3.63 168.4 400

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 22: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

7

12

17

22

27

0.5 5.5 10.5 15.5 20.5

CT

x

CE

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

140 150 160 170 180 190 200T (°C)

Q (

kg/h

)

Mw Débit Temp. Vitesse

Prépol. de vis

(g.mol-1) (kg.h-1) (

C) (rpm)

Min 1710 2.85 145 147

Pref. 1800 3.00 151 155

Max 1840 3.30 152 224

Solution préférée

Zone de Pareto

(Conditions opératoires)

Front de Pareto

(Critères)

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Page 23: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM

Fabio A. CRUZ SANCHEZ – étudiant ERPI-LRGP /

Lorraine

Essai d’impression FDM ….en cours!

Page 24: LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM

MERCI A MES COLLEGUES

Fabio A. CRUZ SANCHEZ – étudiant ERPI-LRGP /Lorraine Fab Living Lab -

Mauricio CAMARGO –professeur ERPI- /Lorraine Fab Living Lab

Hakim BOUDAOUD –maître de conférence ERPI- /Lorraine Fab Living Lab

Emmanuel GILLOZ - entreprise et le fab-lab OpenEdge/ créateur de la

Foldarap