2025/08/19
Reassessing anisotropy in 3D printed structures: The role of extrudate geometry vs interface bonding
Shokrollahi, M.; Smith, A.W.; Levy, A.; Dubé, M.; Tabiai, I. (2025). Reassessing anisotropy in 3D printed structures: The role of extrudate geometry vs interface bonding. Journal of Manufacturing Processes, vol. 149, september 2025, 456-472.
La performance mécanique des pièces imprimées en 3D par fabrication par dépôt de filament fondu (FFF) et par fabrication par dépôt de granulés fondus (FGF) est déterminée par la qualité de liaison entre les interfaces et par la géométrie de l’extrudat. Cette étude examine ces facteurs dans des pièces en polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) imprimées à petite échelle (FFF) et à grande échelle (FGF), soumises à des essais de traction dans les directions parallèle et perpendiculaire à l’extrudat. L’anisotropie des pièces imprimées en 3D découle d’une liaison incomplète entre les interfaces et de la formation de crêtes périodiques (entailles d’interface) entre les extrudats. Une méthode d’usinage est utilisée pour éliminer ces entailles, permettant ainsi d’évaluer séparément ces mécanismes. Les résultats montrent que les entailles d’interface réduisent la résistance des pièces : la résistance à la traction diminue de 28 % pour les échantillons à petite échelle et de 70 % pour ceux à grande échelle. La corrélation d’images numériques (DIC) permet de quantifier les champs de déformation induits par les entailles lors du chargement, révélant que le facteur de concentration de déformation (Kε) diminue avec la réduction de la hauteur des couches. Une analyse par éléments finis à l’échelle mésoscopique (FEA), validée par la DIC, confirme les observations expérimentales et met en évidence l’influence critique du rayon à la racine de l’entaille sur le Kε. Une fois les entailles d’interface éliminées, les propriétés deviennent isotropes, démontrant une liaison interfaciale complète. Ces résultats soulignent le rôle prépondérant de la géométrie de l’extrudat dans l’anisotropie et la rupture prématurée, et orientent l’optimisation des paramètres d’impression ainsi que la conception de la prochaine génération d’équipements d’impression 3D pour atténuer ces problèmes.