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Comment le vieillissement thermique affecte-t-il les pièces en fibre de carbone imprimées en 3D? – ImpressionEn3D.com

Les progrès dans le développement de composites pour la fabrication additive se sont accélérés au cours des dernières années, avec une recherche et une innovation croissantes dans la FA de bureau et industrielle utilisant des composites, utilisant la technologie des fibres coupées ou continues, avec des fibres de carbone ou des nanotubes, ou des fibres de verre généralement utilisées pour renforcement.

Les matériaux composites imprimés en 3D et les structures sandwich (âme légère prise en sandwich par de fines plaques frontales) font l’objet de recherches croissantes dans les universités et les laboratoires nationaux. Mais l’accent a été davantage mis sur l’étude de la rupture en compression, de la capacité de charge, de la ductilité, de la morphologie, des propriétés de traction ou de frottement. Cette étude, publiée dans le Journal de test des polymères, est une collaboration entre des chercheurs de l’Université Deakin (Australie) et de l’Université de Siegen (Allemagne), et l’objectif était d’étudier l’impact sur les performances ou les propriétés des structures composites imprimées en 3D (en particulier les noyaux) causés par le vieillissement thermique accéléré.

Les auteurs ont choisi de se concentrer ici en raison d’un manque de recherche d’investigation dans ce domaine, et plus pertinemment, parce que de tels matériaux / structures imprimés en 3D seront appliqués dans diverses conditions de température, et comprendre comment la température affecte leurs propriétés mécaniques et structures moléculaires informerait l’avenir développement d’applications et de matériaux. En effet, le développement de matériaux composites et les applications utilisant la FA connaissent une croissance rapide, le marché des composites devant atteindre 10 milliards de dollars d’ici 2028, selon le rapport SmarTech 2018, y compris la production de pièces, le matériel et les matériaux. Les applications de l’industrie aérospatiale et médicale sont des moteurs clés pour les composites à l’heure actuelle, mais cela devrait s’étendre bientôt à d’autres industries de l’automobile, de la construction, de l’énergie et des produits de consommation.

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FDM (utilisant un FlashForge Creator Pro) a été choisi pour fabriquer deux types de structure composite, en utilisant l’ABS et l’ASA (acrylonitrile styrène acrylate) avec des feuilles de face en fibre de carbone. Deux structures topologiques pour le noyau ont été fabriquées, l’une en treillis ou en triangle et l’autre en nid d’abeille ou hexagonale. Pour comprendre les effets du chargement et du vieillissement thermique sur les structures, des essais de compression, de traction et de flexion trois points ont été utilisés pour étudier le comportement mécanique et la rupture de ces composants.

L’étude a également fait allusion à la façon dont le renforcement continu des fibres peut améliorer les propriétés de charge de rupture par rapport à la fibre coupée, car la défaillance initiale avait tendance à se produire aux intersections de filaments dans les parois des cellules: «les cellules en nid d’abeille avaient de meilleures propriétés, car il y a plus de filaments continus entre les parois des cellules. Le vieillissement thermique a également eu un effet plus important sur ces joints, car la relaxation et la restructuration des molécules ont augmenté la ténacité de la jointure.

Pour simuler le vieillissement thermique, les spécimens ont été «vieillis» en les soumettant à des changements de température dans une chambre d’essai climatique. Les températures max / min étaient de 60 degrés et 22 degrés Celsius (en dessous de la température du verre des polymères), avec un dispositif automatisé de haute précision et de précision, contrôlant le taux de changement de température à 1 degré Celsius / minute.

Il a été constaté que la structure en nid d’abeilles avec ASA avait une résistance à la flexion plus élevée, des propriétés de déformation à charge plus élevées et une capacité de charge globale plus élevée (avec ABS ou ASA), et que le vieillissement thermique augmentait la résistance maximale due au recuit (et changements de structure) dans les spécimens avec à la fois des motifs et des matériaux. Le recuit a semblé renforcer les liens entre les couches et les billes d’impression. Les impacts dus au vieillissement thermique pourraient également être largement attribués au temps de vieillissement, la température de vieillissement n’ayant pas d’effet significatif. Les éprouvettes vieillies thermiquement avaient également de meilleures propriétés de rigidité et de charge de rupture, la contrainte de flexion étant 15% plus élevée que les éprouvettes non vieillies. De plus, le noyau ASA a échoué à une contrainte plus élevée que le noyau ABS.

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Fait intéressant, l’Université Deakin est considérée comme l’une des principales institutions de recherche et d’enseignement en AM dans le pays et dans le monde. En 2017, Ian Gibson, professeur de fabrication additive à l’université, a reçu l’International Freeform and Additive Manufacturing Excellence (FAME) en reconnaissance de ses réalisations et contributions de toute une vie à l’impression 3D – qui incluent la co-création des influentes «  technologies de fabrication additive  » qui se sont vendues à plus de 300000 exemplaires. , établissant le Journal de prototypage rapide et l’Alliance mondiale des associations de prototypage rapide. Le mois dernier, l’université a lancé un programme de recherche et d’enseignement axé sur la technologie MELD, une technologie innovante de FA en métal en plein air qui permet de fabriquer des pièces, grandes ou petites, sans faire fondre de métal. En collaboration avec la société américaine MELD Manufacturing Corporation, l’université a installé une machine MELD dans son usine de fabrication avancée de métaux et prévoit de financer d’autres recherches sur les matériaux, l’efficacité et les applications de la technologie MELD.

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