Essai préliminaire sur l'effet du recuit direct sur les propriétés de flexion du PEEK fabriqué par adjonction

16ème Conférence CIRP sur le Calcul Intelligent en Ingénierie de Fabrication, CIRP ICME '22, Italie
Essai préliminaire sur l'effet du recuit direct sur les propriétés de flexion du PEEK fabriqué par adjonction
Luigi Morfinia, *, Maria Grazia Guerraa, Fulvio Lavecchiaa, Roberto Spinaa, b, c, Luigi Maria Galantuccia
a Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM), Politecnico di Bari, Bari, Italie
b Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)-Sezione di Bari, Bari, Italie
c Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (CNR-IFN), Bari, Italie

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Résumé

Les polymères d'ingénierie sont largement utilisés dans l'aéronautique, l'automobile, l'aviation et l'industrie biomédicale. Ils peuvent être traités avec différentes technologies et fabrication additive. La polyétheréthercétone (PEEK) est un polymère semi-cristallin qui présente d'excellentes propriétés mécaniques et une résistance à haute température. En tant que polymère semi-cristallin, des traitements thermiques peuvent être utilisés pour améliorer ses propriétés. Ils peuvent être effectués au four ou via un système de recuit direct inclus dans la machine de Fabrication de Filament Fondue (FFF). Cette étude vise à fournir plus d'informations sur la corrélation entre le recuit et les propriétés de flexion des échantillons de PEEK fabriqués par technologie FFF. Un processus de recuit direct, effectué pendant l'impression, a été réalisé et comparé à un recuit traditionnel au four de durée similaire. Les propriétés de flexion ont été analysées en fonction du type de recuit et de la température.
© 2023 The Authors. Published by Elsevier B.V.
Cet article est un accès libre sous la licence CCBY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0)
Évaluation par les pairs sous la responsabilité du comité scientifique de la 16ème Conférence CIRP sur le Calcul Intelligent en Ingénierie de Fabrication
Mots-clés: Fabrication de filament fondu; PEEK; Recuit; Résistance à la flexion; Fabrication additive

1. Introduction

Les processus de Fabrication Additive (AM) avec des polymères sont continuellement utilisés dans l'aéronautique, l'automobile, l'aviation, la biomédecine et l'énergie pour le prototypage et la fabrication de pièces fonctionnelles avec la mise sur le marché de nouveaux matériaux de haute qualité [1]. La polyétheréthercétone (PEEK) est un thermoplastique linéaire, aromatique et semi-cristallin [2] utilisé dans ces domaines pour ses excellentes propriétés thermiques, chimiques et mécaniques [3]. Les processus PEEK, tels que le moulage par injection, ou les processus plus récents de fusion en lit de poudre AM, comme le frittage laser sélectif (SLS) ou le dépôt d'énergie directe (DED). Ces dernières années, des efforts ont été déployés pour produire des pièces en PEEK en utilisant la Fabrication de Filament Fondue (FFF) afin de réduire les coûts de production [4]. Bien que le FFF soit de plus en plus considéré comme une technologie conviviale, obtenir de bons résultats d'impression avec le PEEK nécessite un effort significatif en raison des caractéristiques spécifiques du matériau et du processus. Plusieurs paramètres influencent les résultats, principalement la température d'impression, la hauteur de couche et la vitesse d'impression [5]. El Magri et al. [6] ont effectué une analyse de Design d'Expériences (DoE) des principaux paramètres du processus FFF, révélant que la température d'extrusion était la plus influente sur les propriétés de traction et le degré de cristallinité du PEEK imprimé. D'autres paramètres liés aux stratégies de dépôt, tels que la densité de remplissage et le décalage de l'angle de remplissage, étaient significatifs pour les propriétés de traction et de flexion [7], [8]. Les paramètres mentionnés ci-dessus sont cruciaux car ils affectent directement l'adhésion intercouche. À cet égard, les échantillons de PEEK imprimés avec des paramètres non optimisés ont montré des propriétés mécaniques inférieures à celles des échantillons en acrylonitrile butadiène styrène (ABS) avec des paramètres optimisés, selon Wu et al. [9].

Des études significatives ont été menées sur le PEEK, y compris des analyses de Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC) et d'autres méthodes pour établir un profil thermique du matériau. Jin et al. [10] ont découvert que les pics de fusion doubles dans l'analyse DSC provenaient de la réorganisation des cristaux de PEEK due au taux de recristallisation plus rapide du PEEK que les taux de chauffage et de refroidissement imposés. Selon Liaw et al. [11], l'analyse du degré de cristallinité a souligné l'importance d'obtenir une valeur élevée pour améliorer l'adhésion de liaison intercouche, conduisant à des propriétés mécaniques élevées. Une cristallinité plus élevée a été obtenue en augmentant la température de la buse et la hauteur de la couche, tandis que le temps d'attente avant retrait de la pièce et la vitesse d'impression ont été réduits. Étant donné que le PEEK est un polymère semi-cristallin, il est essentiel d'étudier la possibilité d'augmenter la cristallinité des pièces en PEEK imprimées par un traitement thermique post-impression. Comme pour les autres polymères, la masse fondue a subi un historique complexe de déformation et de refroidissement, résultant en une distribution hétérogène de la microstructure dans le composant, comme le rapportent Laschet et al. [12]. Yang et al. [13] ont montré comment différentes méthodes de traitement thermique affectaient la cristallinité du PEEK, ce qui a localement affecté les propriétés mécaniques. La littérature a rapporté le refroidissement à l'air, le refroidissement au four, la trempe, le recuit et le revenu. Les résultats du recuit se sont révélés meilleurs pour obtenir un degré de cristallinité plus élevé. Basgul et al. [14] ont étudié comment la structure des pores des pièces en PEEK a changé après recuit sans obtenir de diminution de la porosité indésirable formée pendant le processus d'impression 3D, due au décollement intercouche. Une autre étude a montré que le recuit donnait de bons résultats sur les propriétés mécaniques, tribologiques et viscoélastiques [15]. Regis et al. [16] ont étudié le comportement et la cristallinité d'échantillons de PEEK moulés par injection soumis à un traitement de recuit à 200°C à 300°C. Le résultat a rapporté une cristallinité plus élevée obtenue par...

Cette étude vise à fournir plus d'informations sur la corrélation entre le recuit et les propriétés de flexion des échantillons de PEEK fabriqués par technologie FFF. Un processus de recuit direct, effectué pendant l'impression, a été réalisé et comparé à un recuit traditionnel au four de durée similaire. Les propriétés de flexion ont été analysées en fonction du type de recuit et de la température.

2. Matériel et méthodes

Le matériau utilisé était le PEEK KetaSpire®MS NT1 AM 1,75mm de Solvay SA (Bruxelles, Belgique), un filament naturel capable de fournir des performances à long terme jusqu'à 240°C. Sa haute résistance à la corrosion, aux produits chimiques, à la chaleur, sa ductilité et sa stabilité dimensionnelle le rendent adapté à des applications telles que le remplacement du métal dans l'aéronautique, l'automobile et l'industrie pétrolière et gazière. La température de fusion déclarée par le fournisseur est de 343°C [17] et la température de transition vitreuse est d'environ 145°C [14]. La bobine a été séchée pendant huit heures à 150°C dans un four à circulation d'air et stockée dans des sacs sous vide jusqu'à l'impression. Selon la norme UNI EN ISO 178 [18], les dimensions des échantillons de flexion étaient de 80×10 mm² et d'une épaisseur de 4 mm. Les échantillons ont été produits avec une imprimante 3D Creatbot PEEK-300 coreXY avec un volume de construction de 300×400×300mm³ dans une chambre chaude totalement fermée.

Fig.1. Système de recuit direct.

Elle était équipée d'un système d'extrudeur double. Les températures maximales des buses, de la plate-forme et de la chambre étaient respectivement de 500°C, 200°C et 120°C. L'une des caractéristiques principales supplémentaires de cette machine était le Système de Recuit Direct (DAS), une technologie de l'entreprise pour recuire la pièce pendant le dépôt. Le fournisseur a déclaré que la technologie DAS était protégée par brevet et disponible uniquement sur les machines CreatBot. Un élément chauffant en forme de couronne a été utilisé pour maintenir la zone entourant la buse de dépôt sur la dernière couche à une température contrôlée (Fig. 1). L'avantage du recuit direct était d'améliorer la résistance de liaison entre les couches, évitant les problèmes liés au décollement des couches. Une buse en acier durci de 0,4 mm et une plaque en fibre de carbone ont été utilisées pendant les expériences.

Des tests préliminaires d'impression ont été effectués pour évaluer l'adhésion à la plate-forme d'impression. Une colle spécifique à haute température a garanti l'adhésion de la plate-forme d'impression le long de 15 lignes de bordure. Des tests d'impression initiaux ont été réalisés en utilisant des paramètres trouvés dans la littérature et rapportés dans le Tableau 1.

Tableau 1. Paramètres d'impression.

Parameter	Value	Unit
Températures
Buse	430	°C
Plate-forme	150	°C
Chambre	100	°C
Coque
Hauteur de couche	0.2	mm
Largeur de ligne	0.4	mm
Nombre de couches de paroi	3	-
Remplissage
Densité de remplissage	100	%
Décalage de l'angle de remplissage	-45°/+45°	-
Vitesse
Vitesse d'impression	20	mm/s

Un plan d'expériences factoriel 2² a été utilisé pour étudier l'influence du processus de recuit direct et le comparer avec celui classique effectué dans le four. Un DoE 2² a été choisi car le processus était en phase d'exploration. Le Tableau 2 présente les facteurs et les niveaux relatifs sélectionnés pour l'analyse, avec trois réplications pour chaque combinaison. Les facteurs étudiés étaient le type de recuit et la température maximale. Quinze échantillons ont été fabriqués. Six ont ensuite été traités dans le four, tandis que les six autres ont subi un recuit direct. Les trois restants sont restés non traités.

Processus	Recuit Direct (DA)	Recuit au Four (OA)
Température(°C)	200	300

Niveau de Facteur

Fig.2. Cycle de recuit.

Le temps d'impression de chaque échantillon était de 40 minutes. Le temps de processus de recuit direct était le même que le temps d'impression car la couronne chaude effectuait le traitement pendant que la buse déposait le filament fondu. Le temps de traitement au four était le même que le recuit direct pour rendre les résultats de l'expérience comparables. La vitesse de chauffage et de refroidissement utilisée était de 5°C/min. Le cycle thermique est rapporté dans la Fig. 2.

2.1. Analyse du Temps et des Coûts

Une analyse des facteurs de temps et de coût a également été réalisée. Les temps sont résumés dans le Tableau 3. Le temps d'impression t_print était le même pour chaque échantillon et traitement. Le temps de recuit au four comprenait les temps de chauffage et de maintien.

Tableau 3. Tableau des temps d'impression et de recuit.

	Direct Annealing		Oven Annealing
Time(min)	200°C	300°C	200°C	300°C
ID	DA200	DA300	OA200	OA300
Annealing time (toven)	-	-	75	95

3. Résultats et Discussion

3.1. Essais mécaniques

Des essais de flexion三点s ont été réalisés pour évaluer l'influence des deux traitements de recuit sur les propriétés mécaniques du matériau (Fig.3). Les résultats (Fig.4) ont indiqué que l'effet du traitement thermique était important, variant la résistance à la flexion par rapport aux échantillons non traités. La résistance à la flexion moyenne des échantillons non traités (UNT) était de 124,43 MPa, avec un écart-type de 6,75 MPa, similaire à celles rapportées dans la littérature [19]. Le processus de recuit à haute température a amélioré les propriétés mécaniques des thermoplastiques, comme le soulignent Butt et Bhaskar [20], étudiant l'influence du recuit sur les polymères couramment utilisés. Pour cette raison, une augmentation des propriétés était attendue dans le PEEK. Les échantillons soumis au traitement de recuit au four à 300°C (OA300) ont rapporté une résistance à la flexion 16% supérieure à celle de l'UNT, comme confirmé par certains travaux [14], [15]. De plus, le recuit a amélioré les propriétés mécaniques à des températures de chauffage élevées grâce à une adhésion de liaison intercouche plus élevée [21]. L'adhésion de liaison intercouche est un facteur crucial dans les essais mécaniques pour évaluer les contraintes. Améliorer l'adhésion de liaison a conduit à une réduction de la porosité du matériau, s'approchant des propriétés du même matériau traité par moulage par injection [6]. Cependant, les échantillons OA300 ont montré un comportement plus cassant, avec 66% des échantillons cassés. Tous les autres échantillons n'ont pas atteint la rupture de l'échantillon à la fin de l'essai.

Les échantillons soumis au traitement de recuit direct à 300°C (DA300) n'ont pas atteint les mêmes valeurs de Résistance à la Flexion que les OA300. Ils ont montré une augmentation de près de 6% de la résistance à la flexion par rapport aux échantillons non traités, obtenant une Résistance à la Flexion moyenne de 131,77 MPa et un écart-type de 3,30 MPa. D'autre part, les échantillons traités à 200°C ont montré une détérioration des propriétés mécaniques.

Fig.3. Échantillons de flexion avant et après essais mécaniques.

Fig.4. Valeurs en pourcentage de la résistance à la flexion des échantillons traités thermiquement par rapport aux échantillons non traités (0%).

En conséquence, les propriétés se sont détériorées de 6,5% pour les échantillons traités au four à 200°C (moyenne 116,2 MPa, écart-type 19,41 MPa) et de 5% pour ceux traités directement à 200°C (moyenne 118,3 MPa).

3.2. Analyse statistique

Une analyse statistique a été réalisée. Les facteurs d'entrée (type de traitement, température de traitement) ont été sélectionnés pour leur impact notable sur les propriétés mécaniques. Des travaux antérieurs [6], [14] ont montré de l'intérêt à réaliser des cycles de recuit à 200°C et 300°C. Les données relatives à la Résistance à la Flexion des 12 échantillons soumis à un traitement thermique, obtenues précédemment à partir d'essais mécaniques, ont été analysées. Dans l'analyse ANOVA avec un intervalle de confiance de 95%, seule la température de traitement a été influente (valeur p 0,016). Ce comportement était également visible sur le graphique des effets principaux (Fig. 5).

Fig. 5. Graphique des effets principaux pour la résistance à la flexion.

Le graphique montre que le type de traitement a peu influencé la résistance à la flexion. D'autre part, la température de traitement s'est avérée significativement influente, confirmant la tendance de la littérature précédemment analysée [6], [11], [16].

3.3. Analyse SEM

Le Microscope Électronique à Balayage (SEM) a évalué les changements dans la structure du matériau causés par le recuit (Fig. 6). Le recuit direct et au four à 300°C a amélioré la liaison entre les couches, confirmant les résultats des essais mécaniques et la revue de littérature. Les échantillons de flexion analysés dans ce document ont montré un comportement similaire, soulignant la principale criticité de la séparation des couches due aux contraintes introduites par l'essai de flexion. Il y avait des zones de discontinuité entre les couches dans les échantillons avec une résistance à la flexion plus faible, mises en évidence par des décollements et des vides. Fig. 6-a montre l'échantillon UNT comme référence avant l'essai mécanique. Le processus d'impression a causé une faible adhésion entre les couches. Fig. 6 a montré des images de sections transversales d'échantillons traités directement et au four, analysées après les essais mécaniques. DA200 était très similaire à UNT, soulignant comment le traitement peut ne pas avoir eu d'effet et, comme dans le cas examiné, a conduit à des valeurs plus faibles de résistance à la flexion. Fig. 6-c a montré le même comportement que Fig. 6-b. Les écarts entre les couches, encouragés par la flexion, sont la cause principale de la détérioration des propriétés de flexion.

Fig.6. Images SEM de sections transversales d'échantillons: (a) orientation d'impression (xy) avec section transversale mise en évidence (zy); (b) UNT; (c) DA200; (d) OA200; (e) DA300; (f) OA300.

En revanche, les échantillons traités à 300°C étaient plus compacts. Ce comportement a confirmé ce qui a été obtenu à partir des essais mécaniques, atteignant des propriétés de flexion plus améliorées. Les échantillons avaient moins d'écarts entre les couches. DA300 avait quelques écarts, affectant les valeurs obtenues lors des essais. OA300 était le plus compact, et ses résultats étaient les meilleurs en termes de résistance à la flexion mais a montré une déformation plus faible avant rupture. Les écarts dans DA200 et OA200 étaient plus larges et plus profonds que ceux dans DA300 et OA300.

4. Conclusions

Ce document traite de la caractérisation mécanique du PEEK soumis à un processus de recuit direct. Une comparaison entre ce recuit et le recuit au four a été effectuée. Les données analysées en fonction du type de traitement, direct ou au four, n'ont pas affecté significativement la résistance à la flexion, tandis que la température a été influente. Les analyses ont montré que le traitement le plus approprié est celui à 300°C. Les propriétés mécaniques de la résistance à la flexion ont gagné une augmentation de 16% et 6%, respectivement pour le recuit au four et le recuit direct. Le traitement au four à 300°C a augmenté les performances mécaniques de 10%. Cependant, il a nécessité un temps total de production (impression plus temps de recuit au four) de 3,5 fois par rapport au temps total de production avec recuit direct. Le recuit direct (DA300) était évident compte tenu du temps de production, réduit au seul temps d'impression, et par conséquent des coûts.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par le Ministère italien de l'Éducation, de l'Université et de la Recherche dans le cadre du Programme "Département d'Excellence" Loi 232/2016 Grant No. CUP - D94I18000260001. La recherche faisait partie du projet de recherche PON SIADD – "Solutions innovantes pour la qualité et la durabilité des processus de fabrication additive" CUP B36G18001430005, financé par le Programme Opérationnel National PON - Recherche et Innovation 2014-2020.