Continuous fiber reinforced 3D printed parts : metrological approach, mechanical characterization and numerical simulation
Pièces imprimées 3D renforcées fibres continues : approche métrologique, caractérisation mécanique et simulation numérique
Résumé
The recent progress in additive manufacturing technologies has been remarkable, particularly in the area of 3D printing of parts reinforced with continuous fibers, which is the focus of this work. The objective of this thesis is to comprehend the process by characterizing parts in terms of their geometry and dimensions, as well as predicting their mechanical properties. A metrology study was conducted to evaluate the industrial potential of the printer by investigating capability indices and achievable quality classes. The findings were used to position the printer in relation to traditional processes and to propose design rules. Experimental tensile test series were conducted to mechanically characterize the parts. The main printing parameters were varied to identify their influence on the mechanical behavior of the parts. These characterizations have enabled the implementation of analytical and numerical models to predict the mechanical behavior of parts reinforced and unreinforced with continuous fibers. The analytical models were based on four approaches: mixture law, classical laminate theory, volume-averaged stiffness, and the 10% method. Two finite element modeling techniques, the composite simulation method with 2D Shell elements and the embedded element technique, were used to analyze the printed parts numerically. The analytical and numerical results were compared with experimental results, and acceptable prediction errors were observed.
Les progrès réalisés ces dernières années sur les technologies de fabrication additive sont assez remarquables. Parmi ces nouvelles technologies, figure l'impression 3D de pièces renforcées avec des fibres continues qui fait l'objet des travaux présents. L'objectif de cette thèse est la maîtrise du procédé avec une caractérisation des pièces tant sur le plan géométrique et dimensionnel que sur la prédiction des propriétés mécaniques. Une étude de métrologie a été menée afin d'évaluer le potentiel industriel de l'imprimante à travers des investigations sur les indices de capabilité et les classes de qualité atteignables. Les résultats ont permis de positionner l'imprimante par rapport aux procédés traditionnels et aussi de proposer des règles de conception propres à ce procédé. Pour caractériser mécaniquement les pièces, des campagnes expérimentales d'essais de traction ont été menées en faisant varier les principaux paramètres d'impression afin d'identifier leurs influences sur le comportement mécanique des pièces. Ces caractérisations ont permis la mise en place de modèles analytiques et numériques pour prédire le comportement mécanique des pièces renforcées et non renforcées avec des fibres continues. Les modèles analytiques éprouvés ont été basés sur quatre approches (la loi des mélanges, la théorie classique des laminés, la rigidité moyenne en volume et la méthode 10%). Du point de vue numérique, deux techniques de modélisation par éléments finis ont été appliquées aux pièces imprimées (la méthode de simulation des composites avec des éléments Shell 2D et la technique des éléments imbriqués). Les résultats des approches analytiques et numériques comparés aux résultats expérimentaux ont montré des erreurs de prédiction acceptables.
Domaines
Génie mécanique [physics.class-ph]Origine | Version validée par le jury (STAR) |
---|