Étude du comportement électro-thermo-mécanique d’un actionneur réalisé par impression 4D

L’objectif de ce travail de thèse était de développer une charnière électrosensible en se basant sur l’impression 4D. Il s’agit d’utiliser une méthode de fabrication additive couplée à un matériau intelligent sensible à un stimulus externe dans le but de créer un mouvement, la quatrième dimension étant le temps. Pour cette étude, le stimulus externe est la température, et l’échauffement est obtenu par effet Joule. L’impression par Fused Filament Fabrication (FFF) qui permet la création d’une structure tridimensionnelle par le dépôt de filaments de polymère fondu a été choisie pour son coût peu élevé, son utilisation aisée, et la production quasi inexistante de déchets. L’acide polylactique (PLA) a été utilisé car il possède d’excellentes capacités de mémoire de forme, est biosourcé, produit en Europe et souvent utilisé en FFF. Dans le but de pouvoir le chauffer par effet Joule, du PLA renforcé par des particules de noir de carbone (CB/PLA) a été considéré. Un matériau thermosensible chauffable à distance par un circuit électrique est ainsi obtenu. Une analyse des couplages électrothermique et électromécanique dans ce matériau a donc été menée. Une première étape a consisté à maîtriser le lien entre les propriétés de l’éprouvette imprimée et les paramètres d’impression. Des éprouvettes rectangulaires ont ensuite été chauffées par effet Joule et observées par caméra thermique dans le but d’étudier le comportement du matériau soumis à trois créneaux de voltages différents. Un modèle basé sur l’équation de la chaleur a été mis en place afin de prévoir les températures atteintes au sein du matériau. Suite à un cyclage électrique, une modification de la microstructure du CB/PLA engendrant une évolution de la résistance électrique a été mise en évidence. Une étude du couplage électromécanique a ensuite été réalisée via des essais de traction monotone et cyclée afin d’analyser l’évolution de la résistance électrique sous sollicitation mécanique et dans le cadre d’une utilisation répétée. Les avantages d’une structure avec un angle d’impression longitudinal par rapport à l’axe de sollicitation ont été mis en évidence par des propriétés électriques et mécaniques supérieures et une meilleure durabilité. D’autres angles d’impression ont également été testés et la théorie des stratifiés a pu être appliquée aux éprouvettes imprimées 3D. Un suivi des endommagements dans les éprouvettes de traction a été mené par émission acoustique et par des observations au microscope électronique à balayage et au micro tomographe. Le développement de craquelures perpendiculaires à l’axe de sollicitation a été mis en évidence. Finalement, une charnière a été conçue et testée pour un angle de pliage de 90°. Une optimisation des paramètres d’impression a été conduite afin de réduire l’influence des contraintes résiduelles dues au procédé de fabrication lors de la phase d’apprentissage de la charnière. Les résultats ont montré l’influence prépondérante de la température du plateau et de la vitesse d’impression. Le déploiement reproductible d’une charnière avec environ 80% de taux de recouvrement a été obtenu, et la force déployée ainsi que la vitesse de déploiement ont été mesurées. L’utilisation répétée d’une telle charnière et sa durabilité ont été investiguées en réalisant dix cycles successifs de déploiement. L’influence de la température de programmation et d’actionnement a été également étudiée. Finalement, une ébauche de charnière réversible a été proposée. Il a ainsi été démontré qu’il est possible de créer un prototype optimisé de charnière activable par effet Joule, à distance, par impression 4D.