Système d'extrusion de matériaux à haute gravité et amélioration des performances de l'acide polylactique extrudé

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14224 (2023) Citer cet article

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La fabrication additive (FA) a attiré une attention considérable ces dernières années en raison de sa capacité à fabriquer rapidement et facilement des formes et des géométries complexes difficiles, voire impossibles à réaliser avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Cette étude présente le développement d'un système d'extrusion de matériaux à haute gravité (HG-MEX), qui génère un champ de haute gravité par accélération centrifuge. Dans ce processus, le matériau est dissous en chauffant la buse et ensuite déposé sur la plate-forme de construction. L'objectif principal de cette recherche est d'évaluer les effets positifs de la gravité sur l'extrusion de matériaux (MEX), qui est un aspect clé de la FA. Pour ce faire, une machine combinée comprenant une unité MEX et une centrifugeuse est construite. Ce système HG-MEX est utilisé pour analyser et refléter l'influence de la gravité sur l'extrusion du matériau. Les évaluations expérimentales démontrent que l'application d'une gravité élevée constitue une approche prometteuse pour améliorer la précision de la forme et les performances des pièces fabriquées par MEX. Nos résultats confirment notamment la faisabilité de l’utilisation du MEX sous haute gravité pour améliorer les performances des processus de fabrication additive.

La fabrication additive (FA) est généralement utilisée pour créer des objets tridimensionnels en ajoutant séquentiellement des couches de matériau1. Contrairement aux méthodes de fabrication traditionnelles, la FA peut facilement fabriquer des formes et des géométries complexes qui seraient autrement difficiles ou irréalisables2,3,4,5. En outre, la gamme de matériaux utilisés dans la FA est diversifiée et englobe les plastiques, les métaux, les céramiques et même les matériaux biologiques6,7,8,9,10. Par conséquent, la fabrication additive a un large éventail d’applications dans des secteurs tels que l’aérospatiale, l’automobile et la santé11. Ainsi, la fabrication additive a le potentiel de révolutionner la fabrication en permettant une production plus rapide, plus efficace et plus personnalisée.

Une caractéristique notable de la FA est sa capacité à faciliter la fabrication flexible de formes complexes et les modifications de conception individuelles12. Sehhat et al.13,14 ont étudié l'effet de la température et des variations de matériaux sur les propriétés mécaniques des pièces fabriquées via la modélisation par dépôt fondu (FDM). De plus, ils ont validé la transformation des contraintes dans un matériau anisotrope fabriqué de manière additive via FDM. De plus, Mohamed et al.15 ont étudié l'optimisation des paramètres du processus FDM. En outre, Charalampous et al.16 ont étudié l’optimisation du comportement mécanique basée sur l’apprentissage automatique des constructions imprimées en 3D fabriquées via le processus FFF. De plus, Li et al.17 ont étudié l'effet des paramètres de processus dans la modélisation des dépôts fondus sur le degré de liaison et les propriétés mécaniques. La fabrication additive devrait devenir la technologie de base du système de fabrication de nouvelle génération18,19,20. Dans les années 2010, la NASA a lancé des tests d’impression 3D dans la Station spatiale internationale, visant à garantir la durabilité de diverses activités spatiales21. À partir de 2020, les projets à long terme impliquant des missions lunaires et martiennes nécessitent des capacités de maintenance et de réparation dans des environnements spatiaux réglementés. À cet égard, la fabrication additive a suscité une attention considérable en raison de ses excellentes caractéristiques d’économie de ressources et d’espace22. Même sur Terre, les expériences de champ de microgravité sur la MA ont été menées sur la base d'expériences de vol parabolique aux États-Unis, en Chine et en Allemagne23.

Les efforts de recherche susmentionnés liés à la fabrication additive en microgravité ont révélé que les environnements en microgravité ne sont pas propices au processus de fabrication. En AM en microgravité, la fixation du matériau sur la platine est un défi et les ruptures résiduelles dans le dépôt ne peuvent pas être éjectées en raison de l'absence de forces de flottabilité. Plusieurs études de FA ont tenté de réaliser un apport de matériau dense et d'éliminer les micropores dans le dépôt, même dans des conditions 1 G24. Sur la base des résultats rapportés, nous nous attendons à ce que plusieurs indices d'évaluation soient améliorés dans des conditions 1 G. Ainsi, cette conclusion sert de motivation pour le développement d’une nouvelle technologie de fabrication additive qui exploite des niveaux de gravité supérieurs à 1 G. À cet égard, le système d’extrusion de matériaux à haute gravité (HG-MEX) est une installation spécialisée conçue pour fonctionner sous des températures élevées. -conditions de gravité, créant ainsi de nouvelles opportunités pour des applications commerciales et industrielles. HG-MEX peut potentiellement relever certains défis liés à la FA dans des conditions spatiales et de microgravité. Ainsi, il peut jouer un rôle crucial pour répondre aux besoins en techniques de fabrication efficaces et fiables et faire progresser la fabrication additive dans les environnements spatiaux et en microgravité.