La présente étude concerne la Fabrication Additive Polymères (FAP), utilisée traditionnellement pour des opérations de prototypage rapide. L'intégration de pièces FAP dans un cadre fonctionnel reste peu courante en comparaison des pièces élaborées par injection sous pression. En effet, les propriétés des pièces FAP sont mal connues et peuvent s'avérer dégradées.
Une nouvelle technologie exclusive de FAP a été intégrée dans la machine Freeformer-Arburg, qui consiste à construire la pièce par dépôt de gouttelettes de polymère extrudé.
Le Freeformer [1] offre plusieurs avantages : (i) la possibilité de tester différents types de matières premières sous forme de granules, qui peuvent être choisis en fonction des enjeux scientifiques et technologiques ; (ii) la présence de deux systèmes de dépôt découplés permettant une fabrication additive bimatière ; (iii) l'aspect machine « ouverte » dans le sens où de nombreux paramètres de fabrication peuvent être contrôlés par l'utilisateur (température, pression, trajectoire de dépôt, etc).

Cette étude porte sur le développement des matériaux architecturés cellulaires et des pièces bimatière. Les matériaux architecturés permettent d'allouer des propriétés structurales et fonctionnelles non standards ou améliorées. L'idée consiste à concevoir des géométries astucieuses de cellules et de les combiner afin d'optimiser les propriétés mécaniques. Ce type d'approche est particulièrement pertinent lorsque le matériau de base a des propriétés médiocres ou dégradées, à cause d'un procédé de fabrication par exemple. Dans cette étude, il est question de tirer profit sur trois plans des possibilités qu'offre spécifiquement la fabrication additive bimatière : produire des matériaux cellulaires qui peuvent être architecturés en 3D, dont les topologies de cellules permettent d'obtenir des propriétés mécaniques non conventionnelles telles qu'un coefficient de Poisson négatif (matériaux auxétiques [2]), et qui peuvent combiner deux matériaux différents à différents endroits d'une cellule de telle sorte à tirer partie de leurs propriétés spécifiques.

Ce travail comprend une partie expérimentale et une partie numérique correspondant à différents maillons de la chaîne de la fabrication additive : de la conception à la réalisation ; sur des moyens de caractérisation et d'observation afin de comprendre les phénomènes mécaniques et physico-chimiques mis en jeu (essais mécaniques, analyses microstructurales) ; et sur l'optimisation de structures. L'optimisation vise à tirer profit des possibilités originales qu'offrent la machine. Il s'agit de jouer sur trois aspects afin d'obtenir une pièce optimisée :
1. Topologie et forme des cellules
2. Ratio de mélange de deux matériaux au sein d'une même pièce
3. Paramètres de fabrication (trajectoire de fabrication, densité de remplissage...)


[1] H. Gaub Customization of mass-produced parts by combining injection molding and additive manufacturing with Industry 4.0 technologies. Reinforced Plastics In Press, October 2015
[2] L. Yang, O. Harrysson, H. West, D. Cormier, Mechanical properties of 3D re-entrant honeycomb auxetic structures realized via additive manufacturing, International Journal of Solids and Structures 69–70 (2015) 475–490