Base de connaissances

Plante, R. (2026). Multinozzle Architecture for Additive Manufacturing of High-Viscosity Thermosets for Aerospace Applications. Thèse.

Au cours des dernières années, la fabrication additive de polymères et de composites a suscité un intérêt croissant pour la production de structures légères, complexes et multifonctionnelles. Dans le domaine aérospatial, l’écriture directe d’encre « Direct Ink Writing, DIW » apparaît comme une voie prometteuse pour la fabrication de réseaux filamentaires architecturés à partir de matériaux thermodurcissables visqueux, notamment pour des revêtements abradables structurés. Toutefois, la mise en forme de telles structures demeure limitée par la faible cadence généralement associée à la DIW à fine résolution. Bien que des solutions aient été proposées pour accroître cette cadence, notamment par l’emploi de systèmes multibuses, la résistance hydraulique imposée par la géométrie interne des buses reste encore peu considérée. Or, lorsque la pression d’extrusion disponible est limitée, cette résistance devient un verrou important du procédé. Ce projet vise donc le développement, sur la plateforme robotisée de fabrication additive du Laboratoire de Mécanique Multi-échelle (LM2), d’une architecture multibuse conique compatible avec une limite pratique de pression de 20 MPa. L’objectif est de remplacer la multibuse cylindrique développée précédemment au laboratoire par une architecture mieux adaptée aux contraintes hydrauliques du système. La solution développée repose sur une architecture multibuse effilée fabriquée par stéréolithographie et comprenant une grille 6 × 6 de 36 buses coniques. Afin de rendre cette géométrie compatible avec les sollicitations mécaniques imposées par l’extrusion sous haute pression, le composant polymère définissant l’écoulement est soutenu par une plaque de support métallique réutilisable située hors du chemin d’écoulement. Cette dissociation entre fonction hydraulique et fonction structurale permet à la fois l’intégration d’un réseau dense de canaux convergents et le remplacement rapide du composant en contact avec l’encre. La caractérisation de la multibuse imprimée montre que la fabrication par SLA permet d’obtenir des sorties proches de la géométrie nominale, avec des diamètres moyens mesurés de 255,7 ± 14,1 µm pour la géométrie nominale de 230 µm et de 370,0 ± 22,5 µm pour celle de 350 µm. Les observations montrent également une bonne circularité des ouvertures ainsi qu’une faible rugosité interne des canaux, avec une valeur moyenne de Ra = 0,50 ± 0,21 µm. Ces résultats confirment qu’il est possible de fabriquer par SLA une tête multibuse à sorties fines présentant une fidélité dimensionnelle et une qualité de surface suffisantes pour l’extrusion. L’architecture proposée a ensuite été évaluée avec trois encres représentatives : une encre organique de référence, une formulation thermodurcissable EPON 828-14%FS et un composite thermodurcissable industriel EC3515-10%FS. Par rapport à la v multibuse cylindrique de référence, la géométrie effilée a réduit la pression requise de 71,6 % pour l’encre organique et de 84,6 % pour la formulation EPON 828-14%FS à une vitesse d’extrusion de 200 mm/s. Pour l’EC3515-10%FS, la fabrication d’un micro-échafaudage périodique a été possible à 100 mm/s pour environ 11 MPa avec les buses nominales de 350 µm, alors que des configurations cylindriques comparables n’étaient pas opérables sous la limite de pression disponible. Dans ces conditions, la vitesse de dépose obtenue avec 36 buses correspond à un débit total supérieur à 500 mm³/s, tout en permettant le dépôt de filaments de moins de 500 µm de diamètre. Une portion représentative de micro-échafaudage, constituée de 18 couches de 108 filaments parallèles espacés de 1 mm, a été fabriquée en moins de 3,5 minutes. Le micro-échafaudage obtenu présente un écart moyen de +20,0 µm des points de sa surface par rapport à la géométrie cible, et 85,6 % de ces se situent à l’intérieur d’une bande de ±100 µm. À plus grande échelle, l’analyse d’une structure planaire représentative indique qu’une configuration à 36 buses pourrait réduire le temps de fabrication estimé de 40,8 h avec une seule buse à 1,1 h à vitesse de dépose identique, ce qui souligne l’intérêt de la parallélisation. L’ensemble de ces résultats montre qu’une architecture multibuse conique imprimée par SLA constitue une approche crédible pour améliorer l’efficacité hydraulique de l’écriture directe d’encre, en réduisant fortement la pression requise et en augmentant le débit de dépose. Ce travail illustre ainsi comment une technologie de fabrication additive peut être mobilisée pour en améliorer une autre, tout en contribuant au développement de systèmes DIW multibuses plus accessibles, plus facilement remplaçables et moins exigeants sur le plan de la pressurisation.

Consulter la publication