Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Cette thèse qui a pour titre « Étude des paramètres d'injection pour la fabrication des engrenages en composites et nano-composites de fibres naturelles et de l'amélioration des performances mécaniques et rhéologiques du matériau pour l'impression 3D » est la suite d’une série de recherches sur les composites à fibres de bois à base des polyoléfines comme matrice entamé il y a presque’ une décennie par les chercheurs de l’UQTR, Démagna, Koffi, Lotfi Toubal, et Kokta Bohuslav-Vacla. Ils ont réussi successivement à l’aide de plusieurs thèses de doctorat et de maîtrise à synthétiser d’une façon efficace les composites à fibres de bois, étudier leurs comportements mécaniques, thermomécaniques, rhéologiques et surtout tribologiques sans oublier les aspects comme l’endommagement et la recyclabilité. De plus, les travaux ont permis d'obtenir les pièces mécaniques comme des roues dentées en composites de fibres de bois avec des équipements limités de laboratoire. À la suite des résultats plus qu’encourageants obtenus dans les laboratoires, l’objectif de fabriquer les pièces comme cela se doit dans l’industrie impose l’utilisation de moulage par injection. Il devient de plus en plus évident avec la revue de littérature qu’utiliser la température du moule ou d’injection pour les thermoplastiques vierges et en particulier le PE pendant l’injection des composites de fibre de bois peut conduire à des pièces de propriétés médiocres. Les effets de la pression ou de la température sur le plastique et sur le bois sont différents. Aussi l'augmentation de la teneur en fibres de bois peut nécessiter par exemple, une augmentation ou une diminution de la pression ou de la température d'injection. Ainsi, l’un des objectifs de cette thèse est l'étude des paramètres d'injection sur la fabrication des éprouvettes (flexion, traction, Izod,) en composites de fibres de bois (fibres de bouleau) avec le HDPE. Trois paramètres d’injection qui sont la température d’injection, la pression d’injection et le temps de refroidissement ont été étudiés selon le plan expérimental L4 de Taguchi (3 facteurs à 2 niveaux chacun). Les niveaux de températures 180°C et 200°C, de pression 13500 Psi et 15000 Psi et le temps de refroidissement 15s et 45s ont été choisis après une revue de littérature sur les paramètres d’injection et une série d’essais de pré optimisation. Facteur le plus influent sur les échantillons de 10, 20, 40% et le second facteur influent pour les échantillons de 30%, la température d’injection est le paramètre le plus important qui a influencé sur l’énergie de rupture dans l’essai d’Izod. Le niveau de température 180°C est la température qui optimise plus l’énergie de rupture dans les essais d’ Izod. La température d’injection est dans la plupart des cas le second paramètre important dans les essais de flexion et de traction. Le niveau de température 200°C est la température qui optimise pour les échantillons de 10 et 20% de fibres et le niveau de température 180°C pour les échantillons de 30 et 40%. Il a été conclu que l’augmentation de la température de 180°C à 200°C affecte négativement les échantillons qui ont un taux de fibre très élevé et que, procéder avec une température un peu élevée voire la température du traitement de la résine vierge peut être bénéfique pour les échantillons à faible taux de fibre. Lorsque le taux de fibre augmente, il est préférable de diminuer la température. La pression d’injection est le paramètre qui influence le moins parmi les 3 paramètres étudiés sur les énergies de rupture dans les essais d’Izod, de flexion et de traction. Le niveau de pression 13500 Psi optimise l’énergie de rupture des échantillons de 30 et 40% de fibres et le niveau de pression 15000 Psi optimise l’énergie de rupture des échantillons de 10 et 20% de fibres. Le temps de refroidissement est le paramètre le plus important pour optimiser les propriétés mécaniques pour les essais de flexion et de traction et le niveau 15s est le niveau qui optimise le module de Young, la contrainte maximale ainsi que l’allongement à la rupture. Il est le second paramètre important pour maximiser l’énergie de rupture dans les essais Izod. Le niveau temps de refroidissement 15s est le niveau qui optimise l’énergie de rupture. Le temps de refroidissement a beaucoup influencé sur le processus de fabrication de l’ensemble des éprouvettes parce que les composites de cette étude ont des taux de cristallinité très élevés. Outre les tests de flexion, traction et Izod, les tests d’impact de puits de chute et de dureté ont été réalisés sur les échantillons des composites à fibre de bouleau. Il est constaté avec des tests d'impact de puits de chute que l'énergie absorbée par l'ensemble du spécimen n'est pas trop élevée et que dans tous les cas un rebond se produit. Il n’y a ni saturation, ni perforation. On constate également qu'il n'y a presque pas d’endommagement sur le polyéthylène vierge mais que tous les échantillons des composites sont fracturés. Les résultats des tests de dureté montrent que l'ajout de 10%, 20%, 30% et 40% de fibres au HDPE pur a augmenté la dureté de 50,6 (shore D) pour le pur à 73,6 (shore D) pour le 40% des fibres. La valeur de dureté la plus élevée de 74,6, atteinte avec une charge de fibres de 30%, soit une augmentation de 48,62%. L’autre objectif principal de cette thèse est l’exploration et la mise en oeuvre d'éprouvettes d'essai de traction fiables de composites de fibres naturelles avec le HDPE par impression 3D. Dans la revue de littérature, il est généralement connu d’une part que les matériaux pour FDM ou en général ME-AM (Extrusion de matériaux- Fabrication additive) étaient principalement limités au poly (acide lactique) (PLA) et à l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), en raison de leur facilité de mise en oeuvre à la fois en termes d'extrusion de filaments et de ME-AM. D’autre part, les polymères avec un haut degré de cristallinité (> 40%), tels que les plastiques semi-cristallins de base, à savoir le polyéthylène basse densité (LDPE), le LDPE linéaire, le polyéthylène haute densité (HDPE), le Polypropylène etc. et certains types de polyamide sont particulièrement difficiles à traiter au moyen de ME-AM ; et bien que ces matériaux possèdent des propriétés exceptionnelles et uniques, leur application dans ME-AM n'a pas encore été approfondie et étudiée dans la littérature. Enfin, le HDPE en particulier ne satisfait pas les exigences pour une fabrication sans défaut qui sont l'adhérence entre les brins de polymère extrudé, l'enchevêtrement du polymère déposé, et l'adhésion au lit d’impression, mais sans altérer le détachement. C'est assez problématique pour le HDPE qui n'adhère à rien et ne colle qu'au HDPE chaud. De plus, le problème de retrait et de déformation volumique des polymères lors de la solidification et notamment lors de la cristallisation des polymères représente un autre défi à surmonter pour le HDPE. En dépit de toutes ces constatations dans la littérature, les essais expérimentaux pour obtenir les échantillons de traction et l’impression des objets usuels ont été d’un grand succès. On peut ainsi dire que c’est pour la première fois, qu’il est possible d'imprimer un composite à fibres de bois avec le HDPE comme matrice par FDM sans rencontrer les problèmes de déformation massive et de formation de vide. En effet, les problèmes de retrait, de déformation et d'adhérence bien connus des FDM des polyoléfines en occurrence le HDPE ont été surmontés en mélangeant les fibres courtes de bois entre 10 et 30% en proportion massique avec le HDPE et en présence d’un agent de couplage en proportion de 3%. Les granules obtenus ont servi à imprimer des cubes pour mesurer la déformation et des éprouvettes de traction issues de ces cubes ont servi à obtenir les propriétés mécaniques de ces composites. A partir de cette étude, on a pu observer que la déformation du cube devient de plus en plus réduite lorsque le taux de fibre augmente dans le composite. Pour le HDPE+10wt% FB, on note encore une certaine déformation du cube, mais réduite par rapport au HDPE vierge. Le HDPE+20wt% FB et le HDPE+30wt% FB affiche respectivement une déformation de 1,8mm et 1,3mm soit une diminution de déformation de 73,53% et 80,88% par rapport au HDPE vierge. Cette diminution drastique de la déformation ne peut pas être attribuée à une diminution de degrés de cristallinité des composites puisque les degrés de cristallinité du HDPE et des composites mesurés par la DSC sont presque égaux. On note pour les composites de 10%, 20%, 30% respectivement une augmentation du module de Young de 26,9%, 31,11%, et 34,8% par rapport au HDPE vierge. À cause de l’anisotropie, les valeurs du module de Young, de la contrainte maximale et de l’allongement à la rupture pour les échantillons de 0° sont meilleurs que celles des échantillons de 90°. On peut aisément affirmer en conclusion que la variation des paramètres d’injection tels que la pression d’injection, la température d’injection et le temps de refroidissement lors de la fabrication des échantillons a grandement affecté leurs propriétés mécaniques telles le module de Young, la contrainte maximale, l’allongement à la rupture, l’énergie de rupture et la dureté. On peut aussi affirmer qu’il est enfin possible d'imprimer un composite à fibres de bois avec le HDPE comme matrice par FDM sans rencontrer les problèmes de déformation massive et de formation de vide.

This Thesis, whose topic is "Study of injection parameters for the manufacture of gears in composites and nano-composites of natural fibers and the improvement of the mechanical and rheological performances of the material for 3D printing" is a continuation of series of research on wood fiber composites based on polyolefins as a matrix started almost a decade ago by researchers Démagna Koffi, Lotfi Toubal, Kokta at UQTR. They successively succeeded with help of several doctoral and master's theses in synthesizing wood fiber composites, studying their mechanical, thermomechanical, rheological and above all tribological behaviors without forgetting aspects such as damage and recyclability. In addition, their work made it possible to obtain mechanical parts such as gears made of wood fiber composites with limited laboratory equipment. Following the encouraging results obtained in the laboratories, the objective of manufacturing parts as it should be in the industry requires the use of injection molding. It is becoming more and more evident with the literature review that, using mold or injection temperature for virgin thermoplastics and in particular PE during the injection of wood fiber composites can lead to parts with poor properties. The effects of pressure or temperature on plastic and wood are different. Also, wood fiber content increase may require, for example, an increase or decrease of pressure or injection temperature. Thus, one of the objectives of this thesis is the study of the injection parameters on the manufacture of test specimens (bending, tensile, Izod,) made of wood fiber composites (birch fibers) with HDPE. Three injection parameters which are injection temperature, injection pressure and cooling time were studied according to the experimental design L4 by Taguchi (3 factors at 2 levels each). The temperature levels 180 ° C and 200 ° C, pressure 13500 Psi and 15000 Psi and cooling time 15s and 45s were chosen after a literature review on injection parameters and series of pre-optimization. Most influential factor on 10, 20, 40% samples and the second influencing factor on 30% samples, the injection temperature is the most important parameter which influenced the impact strength in the Izod test. The temperature level 180 ° C is the temperature which contributes more to the optimization of impact strength in the Izod tests. The injection temperature is in most cases the second important parameter in bending and tensile tests. The temperature level 200 ° C is the temperature which optimizes for samples of 10 and 20% of fiber and the temperature level 180°C for samples of 30 and 40%. It was concluded that increasing the temperature from 180 ° C to 200 ° C negatively affects the samples which have a very high fiber content and that proceeding with a slightly high temperature or even the processing temperature of the virgin resin can be beneficial for low fiber samples. When the fiber content increases, it is preferable to decrease the temperature. The injection pressure is the parameter which influences least among the 3 parameters studied for the impact strength in the Izod, bending and tensile tests. The pressure level 13500 Psi optimizes the impact strength of 30 and 40% sample and the pressure level 15000 Psi optimizes the impact strength of 10 and 20% sample. Cooling time is the most important parameter to optimize mechanical properties for the bending and tensile tests and the level 15s is the level which optimizes the Young's modulus, maximum stress as well as the elongation at break. Cooling time is the second important parameter for maximizing impact strength in Izod tests. Cooling time level 15s is the level which optimizes the energy at break. Cooling time greatly influenced the manufacturing process for all the specimens because the composites in this study have a very high crystallinity rate. In addition to bending, tensile and Izod tests, drop-weigh impact test and hardness tests were performed on samples of birch fiber composites. It is found with drop-weigh impact test that the energy absorbed by the entire specimen is not too high and in all, a rebound occurs. There is neither saturation nor perforation. It is also noted that there is no damage on the virgin polyethylene but that all the composite samples are fractured. The hardness test results show that the addition of 10%, 20%, 30% and 40% of fibers to virgin HDPE increased the hardness from 50.6 (shore D) for virgin HDPE to 73.6 (shore D) for 40% fiber composite. The highest hardness value of 74.6 is reached with a fiber load of 30%, an increase of 48.62%. The other main objective of this thesis is the exploration and implementation of reliable tensile test specimens of natural fiber composites with HDPE by 3D printing. It is generally known in the literature review on the one hand that the materials for FDM or in general ME-AM (Materials Extrusion - Additive manufacturing) were mainly limited to poly (lactic acid) (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS), due to their ease of implementation both in terms of extrusion of filaments and ME-AM. On the other hand, polymers with a high degree of crystallinity (> 40%), such as basic semi-crystalline plastics, namely low-density polyethylene (LDPE), linear LDPE, high density polyethylene (HDPE), Polypropylene etc. and certain types of polyamide are particularly difficult to treat with ME-AM; and although these materials have exceptional and unique properties, their application in ME-AM has not yet been deepened and studied in the literature. Finally, HDPE does not meet the requirements for faultless manufacture which are the adhesion between the strands of extruded polymer, the entanglement of the deposited polymer, and the adhesion to the printing bed, but without altering the detachment. This is quite problematic for HDPE which does not adhere to anything and only sticks to hot HDPE. In addition, the problem of shrinkage and volume deformation of the polymers during solidification and during the crystallization of the polymers represents another challenge to be overcome for the HDPE. Despite of all these findings in the literature, experimental tests to obtain tensile samples and items have been very successful. It can be said that it is for the first time that it is possible to print a wood fiber composite with HDPE as a matrix by FDM without encountering the problems of massive deformation and formation of voids. In fact, the well-known shrinkage, deformation and adhesion problems of the FDMs of polyolefins, in this case HDPE, were overcome by mixing short wood fibers between 10 and 30% in mass proportion with HDPE and in the presence of a coupling agent in proportion of 3%. The granules obtained were used to print cubes to measure the deformation and tensile specimens, resulting from these cubes were used to obtain the mechanical properties of these composites. From this study, it has been observed that the deformation of the cube becomes more and more reduced when the fiber content increases in the composite. For HDPE + 10wt% FB, it still notes a certain deformation of the cube, but reduced compared to virgin HDPE. HDPE + 20wt% FB and HDPE + 30wt% FB respectively display a deformation of 1.8mm and 1.3mm, i.e. a reduction in deformation of 73.53% and 80.88% compared to virgin HDPE. This drastic reduction cannot be attributed to a decrease of the degrees of crystallinity of the composites since the degrees of crystallinity of HDPE and composites measured by the DSC are almost equal. It is noted for composites 10%, 20%, 30% respectively an increase in Young's modulus of 26.9%, 31.11%, and 34.8% compared to virgin HDPE. Because of the anisotropy, the values of Young's modulus, maximum stress and elongation at break for the 0 ° samples are better than those for the 90 ° samples. It can easily be stated in conclusion that variations in injection parameters such as injection pressure, injection temperature and cooling time during sample fabrication greatly affected their mechanical properties such as Young's modulus, maximum stress, elongation at break, energy at break and hardness. It can be also said that it is finally possible to print a wood fiber composite with HDPE as matrix by FDM without encountering problems of massive deformation and voids formation.