Date : 2024
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : anglais / English
Polymères -- Propriétés thermiques
Polymères -- Propriétés électriques -- Propriétés mécaniques
Résumé / Abstract : L’objectif de ce travail de thèse était de développer une charnière électrosensible en se basant sur l’impression 4D. Il s’agit d’utiliser une méthode de fabrication additive couplée à un matériau intelligent sensible à un stimulus externe dans le but de créer un mouvement, la quatrième dimension étant le temps. Pour cette étude, le stimulus externe est la température, et l’échauffement est obtenu par effet Joule. L’impression par Fused Filament Fabrication (FFF) qui permet la création d’une structure tridimensionnelle par le dépôt de filaments de polymère fondu a été choisie pour son coût peu élevé, son utilisation aisée, et la production quasi inexistante de déchets. L’acide polylactique (PLA) a été utilisé car il possède d’excellentes capacités de mémoire de forme, est biosourcé, produit en Europe et souvent utilisé en FFF. Dans le but de pouvoir le chauffer par effet Joule, du PLA renforcé par des particules de noir de carbone (CB/PLA) a été considéré. Un matériau thermosensible chauffable à distance par un circuit électrique est ainsi obtenu. Une analyse des couplages électrothermique et électromécanique dans ce matériau a donc été menée. Une première étape a consisté à maîtriser le lien entre les propriétés de l’éprouvette imprimée et les paramètres d’impression. Des éprouvettes rectangulaires ont ensuite été chauffées par effet Joule et observées par caméra thermique dans le but d’étudier le comportement du matériau soumis à trois créneaux de voltages différents. Un modèle basé sur l’équation de la chaleur a été mis en place afin de prévoir les températures atteintes au sein du matériau. Suite à un cyclage électrique, une modification de la microstructure du CB/PLA engendrant une évolution de la résistance électrique a été mise en évidence. Une étude du couplage électromécanique a ensuite été réalisée via des essais de traction monotone et cyclée afin d’analyser l’évolution de la résistance électrique sous sollicitation mécanique et dans le cadre d’une utilisation répétée. Les avantages d’une structure avec un angle d’impression longitudinal par rapport à l’axe de sollicitation ont été mis en évidence par des propriétés électriques et mécaniques supérieures et une meilleure durabilité. D’autres angles d’impression ont également été testés et la théorie des stratifiés a pu être appliquée aux éprouvettes imprimées 3D. Un suivi des endommagements dans les éprouvettes de traction a été mené par émission acoustique et par des observations au microscope électronique à balayage et au micro tomographe. Le développement de craquelures perpendiculaires à l’axe de sollicitation a été mis en évidence. Finalement, une charnière a été conçue et testée pour un angle de pliage de 90°. Une optimisation des paramètres d’impression a été conduite afin de réduire l’influence des contraintes résiduelles dues au procédé de fabrication lors de la phase d’apprentissage de la charnière. Les résultats ont montré l’influence prépondérante de la température du plateau et de la vitesse d’impression. Le déploiement reproductible d’une charnière avec environ 80% de taux de recouvrement a été obtenu, et la force déployée ainsi que la vitesse de déploiement ont été mesurées. L’utilisation répétée d’une telle charnière et sa durabilité ont été investiguées en réalisant dix cycles successifs de déploiement. L’influence de la température de programmation et d’actionnement a été également étudiée. Finalement, une ébauche de charnière réversible a été proposée. Il a ainsi été démontré qu’il est possible de créer un prototype optimisé de charnière activable par effet Joule, à distance, par impression 4D.
Résumé / Abstract : The aim of this thesis was to develop an electro sensitive 4D printed hinge. 4D printing consists in using an additive manufacturing method coupled with an intelligent material that is sensitive to an external stimulus in order to create movement, the fourth dimension being time. For this study, the external stimulus is temperature, and heating is achieved by the Joule effect. Fused Filament Fabrication (FFF), which creates a three-dimensional structure by depositing melted polymer filaments, was chosen for its low cost, ease of use and low waste production. Polylactic acid (PLA) was used because it has excellent shape memory properties, is biosourced, is produced in Europe and is often used in FFF. To use the Joule effect, PLA reinforced with carbon black particles (CB/PLA) was considered. The result is a heat-sensitive material that can be heated remotely via an electrical circuit. An analysis of the electro-thermal and electro-mechanical couplings in this material was therefore carried out. The first step was to establish the link between the properties of the printed sample and the printing parameters. Rectangular specimens were then heated using the Joule effect and observed with a thermal camera in order to study the behaviour of the material when subjected to three different voltages. A model based on the heat equation was used to predict the temperatures reached within the material. Under electrical cycling, a change in the CB/PLA microstructure was observed, resulting in a change in electrical resistance. A study of the electro-mechanical coupling was then carried out using monotonic and cyclic tensile tests to analyse changes in electrical resistance under mechanical stress and in the context of repeated use. The advantages of a structure with a longitudinal printing angle, along the loading direction, were demonstrated by superior electrical and mechanical properties and improved durability. Other printing angles were also tested and the classical laminate theory was applied to the 3D printed specimens. Damage in the tensile specimens was monitored using acoustic emission, scanning electron microscopy and micro computed tomography. The development of crazes perpendicular to the loading direction was demonstrated. Finally, a hinge was designed and tested for a bending angle of 90°. The printing parameters were optimised to reduce the influence of residual stresses due to the manufacturing process during the programming step of the hinge. The results showed that the temperature of the plate and the printing speed had a noticeable influence. The reproducible deployment of a hinge with approximately 80% of recovery was obtained, and the force deployed and the deployment speed were measured. The repeated use of such a hinge and its durability were investigated by carrying out ten successive deployment cycles. The influence of programming and triggering temperatures was also studied. Finally, a first approach of reversible hinge was proposed. It was thus demonstrated that it is possible to create an optimised prototype of a 4D printed hinge that can be remotely triggered by Joule effect.