LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM
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LES MATERIAUX POUR L’IMPRESSION PAR FDM OPTIMISATION MULTICRITERES ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM
THERMOPLASTIQUES
THERMODURS
ELASTOMERES
Amorphes Tg
Semi-cristallins Tg, Tf
Vulcanisés
Réseaux tridimensionnels
RECYCLABLE
NON RECYCLABLE
LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM
THERMOPLASTIQUES
THERMODURS
ELASTOMERES
RECYCLABLE
NON RECYCLABLE
ABS PLA NYLON PC PEEK
RESINES ACRYLATES EPOXYS
FDM
SLA
LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM
THERMOPLASTIQUES
THERMODURS
ELASTOMERES
RECYCLABLE
NON RECYCLABLE
THERMOPLASTIQUES ELASTOMERES
VITRIMERES VIDEO SUR LE SITE WEB DE L’ESPCI https://www.espci.fr/fr/actualites/2011/decouverte-un-nouveau-materiau
Ludwik Leibler (CNRS, France) : Lauréat du prix d'inventeur européen 2015 dans la catégorie recherche
LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM
LES THERMOPLASTIQUES ELASTOMERES
alterner dans une même molécule
des segments souples et des segments rigides
segments rigides
segments souples
LES ELASTOMERES
LIENS CHIMIQUES IRREVERSIBLES
LIENS PHYSIQUES THERMO-REVERSIBLES
LES MATERIAUX PLASTIQUES POUR L’IMPRESSION PAR FDM
LES THERMOPLASTIQUES ELASTOMERES
segments rigides
segments souples
Le PLA souple
FDM
C’est un thermoplastique élastomère !
Ninja Flex (+ difficile à imprimer mais
compatible avec le PLA et biodégradable)
Le TPU (polyuréthanne thermoplastique)
thermoplastique élastomère très utilisé dans le domaine du médical
PRINCIPE GENERAL DE l’OPTIMISATION
• Minimiser une fonction (critère) = fonction objectif
• Variables du problème (et leur valeur possibles)
• Contraintes d’optimisation = des limitations sur certaines
fonctions de ces variables
PLANS D’EXPERIENCES ET OPTIMISATION MULTICRITERE : RESOLUTION PAR ALGORITME GENETIQUE
PLANS D’EXPERIENCES ET OPTIMISATION MULTICRITERE : RESOLUTION PAR ALGORITME GENETIQUE
PRINCIPE GENERAL DE l’OPTIMISATION MULTICRITERE
Problématique :
- Optimiser simultanément des critères qui peuvent
être contradictoires (productivité, qualité, coût, …)
Constat : La solution optimale n’existe pas
• Choix du meilleur compromis (aide à la décision)
• Recherche d’un ensemble de compromis
Zone impossible
Zone faisable
Productivité
Qualité Front de Pareto
D
C A
B
• Fonction objectif = Fonction de domination (F)
• Recherche des compromis Utilisation d’un algorithme génétique
Recherche d’un ensemble de compromis Concept de domination
Etudier parmi plusieurs points si certains sont meilleurs que d’autres
On ne peut pas trancher entre les points A, C et B
C est meilleur que D
PLANS D’EXPERIENCES ET OPTIMISATION MULTICRITERE : RESOLUTION PAR ALGORITME GENETIQUE
OPTMISATION PAR ALGORITME GENETIQUE
Dans les années 70, de nouveaux outils ont été élaborés pour traiter les problèmes d’optimisation. Il s’agit d’« algorithmes génétiques » ou d’« algorithmes évolutionnaires » (Rechenberg (1973), Goldberg (1989)). D’une manière plus générale, on parle d’algorithmes d’évolution (Bäck (1996)), ceux-ci ayant été construits par analogie avec le modèle d’évolution naturelle des populations biologiques.
la terminologie des algorithmes génétiques est
confondue avec celle de la génétique :
Individu : élément ou point de l’espace des solutions
Chromosome : codage d’un individu
Génotype : représentation codée d’une solution
Phénotype : expression de cette solution
Performance : valeur d’une fonction F ou évaluation
d’un individu
Population : ensemble d’individus
Génération : passage d’une population à une autre
Parents : individus sélectionnés pour former une
nouvelle génération
Enfants : individus ayant un patrimoine génétique
issu des parents.
PROCEDE CHOISI
Procédé continu contrôle de l’homogénéité
Grande flexibilité contrôle des propriétés du produit
Élaboration de polyuréthannes thermoplastiques élastomères (TPU)
par extrusion réactive
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Procédé d’extrusion réactive : Contraintes
Pureté
sans solvant minimum de catalyseur minimum de monomère résiduel
contrôle de l’alimentation en réactifs ratio constant des réactifs ;choix judicieux des points d’injection Profil de vis optimisé pour un bon mélange
Contrôle des propriétés
mécaniques
Contrôle de
la structure chimique
Domaine biomédical : Critères à respecter
Bio-Compatibilité
Bio-Stabilité
Propriétés mécaniques
Pas de destruction des tissus
Pas de microfissures, résistance à l’oxydation
Mise en place élasticité, rigidité...
Utilisation transitoire
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Propriétés des
matériaux/Fonctions
d’usage
Modélisation
Aide à la
décision
Optimisation
multicritère
Conditions opératoires
Conditions initiales
Plan d’expériences
Ensemble de
compromis
Conditions opératoires
recommandées
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
- Concentrations initiales
- Température, Vitesse de
vis,débit,…
- Conversions
- Composition chimique
- Température de transition vitreuse
- Élasticité
- extrudabilité
Critères multiples et
contradictoires
Pompe à engrenages
Débitmètre
prépolymère
D
Réacteur de
prépolymérisation
Diol + diisocyanate + catalyseur
Prépolymérisation (dans le réacteur)
Dispositif expérimental
Extension des chaînes (dans l’extrudeuse)
Pompe HPLC butanediol
P
Zones de mélange
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Réacteur principal et cuves de stockage pour l’isocyanate et l’alcool
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Polyuréthanne sortie de filière
Bac de refroidissement
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Conditions Opératoires
Température
Vitesse de vis
Débit total
Ratio des débits
en réactifs Nature du polyol
Qualité du produit
Taux de monomère
résiduel
Propriétés mécaniques
Transparence
Température
de transition vitreuse
Temps de séjour dans l’extrudeuse
Ecoulement :
mélange, taux de cisaillement
Taux de conversion dans
l’extrudeuse
PLANS d’EXPERIENCES
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Mas
ses
mo
lair
es
mo
yen
ne
s e
n p
oid
s Th
éo
riq
ue
(g
/mo
l)
Masses molaires moyennes en poids expérimentales (g/mol)
100000
200000
300000
400000
500000
600000
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000
Masses molaires moyennes en poids
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Tau
x ré
sid
ue
l d’i
socy
anat
e t
hé
ori
qu
e (
%)
Taux résiduel d’isocyanate expérimental (%)
Taux résiduel d’isocyanate
MODELISATION
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
OPTIMISATION MULTICRITERE
Préférences du décideur Dialogue entre l’expert du procédé et le décideur détermination des valeurs des paramètres du modèle décisionnel
wk qk pk vk
Energie f1
Pureté f2
Masses molaires Temperature f4
de transition vitreuse
Rapport f5 modules d’Young
0.15 0.31 1.55 6.19
0.15 0.82 4.10 16.41
0.15 6 273 31 365 125 460
0.15 0.39 1.97 7.88
0.4 0.8 0.03 0.15
Masses molaires
Température de transition vitreuse
Rapport de modules d’Young
Valeurs ciblées
Minimum Coût énergétique
Monomère résiduel
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
7
17
27
37
47
57
67
77
87
0.5 5.5 10.5 15.5 20.5 25.5 30.5C
Tx (
%)
CE (kJ/s)
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
140 150 160 170 180 190 200
T (°C)
Q (
kg/h
)
Zone de Pareto (Conditions opératoires)
Front de Pareto (Critères)
2 zones distinctes
Zones Mn Débit Temp. Vitesse de vis (g.mol-1) (kg.h-1) (
C) (rpm) 1 1274 2.77 150.0 306 2 2024 3.63 168.4 400
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
7
12
17
22
27
0.5 5.5 10.5 15.5 20.5
CT
x
CE
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
140 150 160 170 180 190 200T (°C)
Q (
kg/h
)
Mw Débit Temp. Vitesse
Prépol. de vis
(g.mol-1) (kg.h-1) (
C) (rpm)
Min 1710 2.85 145 147
Pref. 1800 3.00 151 155
Max 1840 3.30 152 224
Solution préférée
Zone de Pareto
(Conditions opératoires)
Front de Pareto
(Critères)
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
ELABORATION OPTIMISEE D’UN FILAMENT DE POLYURETHANNE ELASTOMERE POUR FDM
Fabio A. CRUZ SANCHEZ – étudiant ERPI-LRGP /
Lorraine
Essai d’impression FDM ….en cours!
MERCI A MES COLLEGUES
Fabio A. CRUZ SANCHEZ – étudiant ERPI-LRGP /Lorraine Fab Living Lab -
Mauricio CAMARGO –professeur ERPI- /Lorraine Fab Living Lab
Hakim BOUDAOUD –maître de conférence ERPI- /Lorraine Fab Living Lab
Emmanuel GILLOZ - entreprise et le fab-lab OpenEdge/ créateur de la
Foldarap