Dans le cadre du parcours matériaux innovants et éco-respectueux, les étudiants de l’INSA Strasbourg et de l’UFR de Physique & Ingénierie de l’Université de Strasbourg inscrits au master Design de surfaces et matériaux innovants participent à un module de formation autour de la fabrication additive.
Texte : Adèle Karst et Hervé Pelletier
Après une présentation des différents procédés de fabrication additive de pièces polymères, métalliques et céramiques, puis des enjeux majeurs liés à l’impression 3D, notamment dans le domaine des propriétés des matériaux et des surfaces, des travaux pratiques sont organisés au sein de la plateforme de Science des matériaux et d’ingénierie des surfaces (SMIS).
Depuis trois ans, la plateforme SMIS s’est dotée de plusieurs moyens de fabrication additive en dépôt de fil (FDM), en stéréolithographie (SLA) et un procédé innovant utilisant non pas des filaments mais des granulés (pellets), traditionnellement utilisés en injection et en extrusion. Ce système permet de construire des pièces voire des structures en polymères techniques (de type PEEK, PEKK ou PEI) mais aussi en matériaux métalliques (aciers inoxydables, alliages de cuivre, alliages de titane ou d’aluminium). Il a fait l’objet d’un financement de la région Grand Est (dans le cadre du pacte Ingénieur II bis) et d’un complément via le FEDER.
Lien entre les paramètres d’impression 3D et la réponse mécanique
Durant les travaux pratiques, les étudiants ont étudié dans un premier temps à l’aide de procédé FDM le lien entre les paramètres d’impression 3D, et plus exactement la densité de remplissage et le motif utilisé, avec la réponse mécanique en traction uni axiale, et ceci pour plusieurs matériaux classiquement utilisés en impression 3D (PLA, ABS, ASA).
Après avoir élaboré un plan d’expérience, les étudiants ont :
- généré les fichiers STL des éprouvettes ;
- procédé au découpage et à la programmation des températures et vitesses d’impression (slicing via des logiciels liés aux équipements d’impression 3D, cf. figure 1) ;
- généré le GCode ;
- imprimé les différentes éprouvettes ;
- réalisé les essais de traction à l’aide d’un vérin ZEMA ZWICK 2kN (figures 2 et 3).
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- Figure 1 : exemples d’éprouvettes de traction avec deux remplissages différents et deux densités (30% et 70%)
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- Figure 2 : exemples de courbes de traction obtenues pour deux matériaux ABS et ASA pour deux motifs (nid d’abeilles, quadrillage triangulaire) et deux densités de remplissage des éprouvettes (30% et 70%)
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- Figure 3 : observation post mortem des éprouvettes de traction montrant la localisation de la rupture et une information macroscopique du faciès de rupture
Évaluation des limites via l’impression de pièces tests
Dans un second temps, notamment sur les pièces réalisées en stéréolithographie (SLA), les étudiants ont imprimé des pièces test permettant d’évaluer les limites de résolution et les précisions des systèmes d’impression 3D (figure 4). Les étudiants ont utilisé les moyens optiques disponibles à la PF SMIS et ainsi réalisé des mesures dimensionnelles associées aux différentes formes présentes sur la pièce test.
Figure 4 : observations métrologiques réalisées à l’aide des microscopes otiques disponibles à la PF SMIS
En 5ème et dernière année de formation, les travaux pratiques poursuivent deux objectifs majeurs :
- une mise en pratique des éléments théoriques décrits lors des séances de cours, en particulier l’utilisation de différents systèmes d’impression 3D de la CAO jusqu’à la production des éprouvettes ;
- générer des résultats expérimentaux pour alimenter des connaissances pour une meilleure maîtrise de technologies « récentes », pour lesquelles subsistent des questions techniques voire scientifiques.
Le master DSMI, un master recherche en parallèle de sa 5e année
Le master DSMI est, depuis 2017, un master co-accrédité par l’Université de Strasbourg et l’INSA Strasbourg. Ce master recherche permet aux étudiants du département mécanique de l’INSA Strasbourg d’obtenir un diplôme de master recherche en fin de 5ème année, en parallèle de leur diplôme d’ingénieur. Ils peuvent ainsi poursuivre leur projet professionnel en intégrant soit le service R&D d’une entreprise, soit une unité de recherche française ou européenne dans le cadre d’une thèse de doctorat.
Par exemple, Adèle Karst, étudiante en plasturgie à l’INSA Strasbourg de 2015 à 2020, et ayant également suivi le master DSMI, réalise actuellement son doctorat au sein de l’Institut Charles Sadron (UPR 22 CNRS), encadrée en co-tutelle par l’INSA Strasbourg et l’IMT Nord Europe, sous la direction d’Hervé Pelletier et Thibault Parpaite.