Assemblage de couches à partir de feuilles ou plaques découpées

La dernière famille, se base sur l’assemblage et la découpe de feuilles ou plaques. Ces techniques fonctionnent par une succession de séquence d’empilement – découpe. La machine dépose une feuille ou une plaque de matière puis découpe à l’intérieur, une forme définie par CAO et ainsi de suite jusqu’à ce que la pièce soit terminée (59)(60). L’utilisateur doit ensuite enlever la pièce de

-52- l’empilement. La découpe de la feuille ou de la plaque peut se faire de plusieurs façons suivant le matériau et l’épaisseur. Il est possible de découper au laser, au cutter, au jet d’eau, etc. Tous les types de plaques ou feuilles peuvent être utilisés laissant un large choix de matériaux.

Figure I-19 : Schéma de principe de la technique de fabrication additive par assemblage de feuilles (61)

L’utilisation de ces procédés est principalement dédiée à la réalisation de prototypes, de modèles et outillages pour la fonderie et la plasturgie.

La famille 7 se compose de deux techniques très similaires, la stratoconception et la technique de Laminated Object Manufacturing (LOM) récapitulées dans le Tableau I-5. La différence entre ces deux techniques se situe dans l’assemblage de la pièce. En LOM, les feuilles sont encollées et empilées jusqu’à l’obtention de la pièce finale. En stratoconception, la pièce est créée à l’aide de couches micro-usinées séparément puis assemblée à l’aide d’inserts ou de vis.

-53- Nom des

techniques Résolutions Avantages Inconvénients Laminated object Manufacturing LOM Épaisseur minimum de couche : La feuille -Coût -Choix des matériaux -Robuste -Couleur -Extraction de la pièce -Pièces complexes ou creuses difficiles à réaliser

Stratoconception _{Épaisseur minimum} de couche : la plaque -Coût -Choix des matériaux -Rapide -Précision -Couleur -Pas entièrement automatisé

Tableau I-5 : Les différentes technologies d’impression 3D fonctionnant par empilement de plaques de matières (62) (63)

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I.4.Notion d’adhérence

Un des axes principaux de notre étude étant l’adhérence d’un polymère imprimé sur un substrat, il est important d’en rappeler quelques notions (64).

Tout d’abord la distinction entre les termes « adhésion » et « adhérence ». Comme le décrit Charlène Lambaré (65), le terme d’adhésion désigne l’ensemble des interactions physiques et/ou chimiques qui ont lieu à l’interface de deux surfaces mises en contact. Le terme adhérence représente l’ensemble des forces ou énergies nécessaires pour séparer deux corps via des essais mécaniques. La notion d’adhérence prend en compte les forces d’adhésions ainsi que l’ensemble des dissipations énergétiques présentes dans les matériaux de l’assemblage. La Figure I-20 schématise la différence entre les deux termes.

Figure I-20 : Schéma d’un assemblage par collage expliquant la zone d’adhésion et celle d’adhérence (adaptée de (66))

Une étude de A.J. Kinloch montre que l’adhésion entre deux surfaces dépend de plusieurs mécanismes dont deux principaux : l’ancrage mécanique et la thermodynamique (67). Comme nous le verrons ci-après, le mécanisme d’ancrage concerne plus particulièrement l’état de surface de la matière (la topographie de surface, avec l’aire réelle de contact et l’ancrage mécanique), alors que la thermodynamique concerne l’énergie de surface.

Comme nous l’avons vu précédemment, l’adhésion est liée à la zone de contact de deux surfaces. Afin d’étendre cette zone, il est possible d’augmenter l’aire de contact en jouant sur la topographie de surface (création de rugosité, motifs, etc.). L’aire réelle de contact dépend ensuite de la capacité de la matière à épouser plus ou moins parfaitement la surface. En effet, les aspérités présentes en surface vont créer de petites encoches permettant à la matière de s’amarrer plus facilement. Nous pouvons le schématiser selon la Figure I-21.

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Figure I-21 : Schématisation de l’ancrage mécanique

De son côté, l’énergie de surface peut être reliée à la mouillabilité. La mouillabilité de surface caractérise la facilité avec laquelle une goutte de liquide s’étale sur une surface solide, comme l’illustre la Figure I-22 . Par convention la limite d’angle de goutte de 90° décrit une surface mouillable si Θ<90° et une surface non mouillable si Θ>90° (68).

Figure I-22 : Schéma de principe de la mouillabilité d’une surface selon l’angle de goutte

Elle repose sur la compréhension des interactions qui s’établissent entre le liquide et la surface de mouillage. Comme le représente la Figure I-23, elle est caractérisée par la mesure de l’angle de contact (θ) entre un liquide et un solide. Cet angle dépend de trois tensions interfaciales : solide-liquide, solide-vapeur, et liquide-vapeur dont l’équilibre est décrit par l’Équation I-1 (64):

𝑐𝑜𝑠 𝜃 =𝛾'( − 𝛾'* 𝛾_*(

Équation I-1: Equation de Young- Dupré

-56- Tensions interfaciales : γLV : liquide-vapeur γSL : solide-liquide γSV : solide-vapeur

Figure I-23 : Forces appliquées sur une goutte posée sur un support solide (64)

Différents phénomènes tels que : l’augmentation de la surface réelle de contact (rugosité, structuration), et la nature chimique de surface peuvent influencer ou modifier la mouillabilité de surface d’un matériau (69).

Notons que la relation de Young-Dupré est utilisée pour des surfaces lisses, sans rugosité. Ainsi, la valeur de l’angle de contact ne dépend que de la composition chimique du matériau. Pour les surfaces rugueuses et hétérogènes (une surface texturée peut être considérée comme chimiquement hétérogène (70)), la relation de Young-Dupré (Équation I-1) régissant l’équilibre des trois tensions interfaciales solide-liquide, solide-vapeur et liquide-vapeur évolue suivant deux principaux modèles. Ces deux modèles illustrés sur la Figure I-24 sont le modèle de Wenzel et le modèle de Cassie-Baxter.

a. b.

Figure I-24 : a. Schéma de gouttes sur surface hydrophobe rugueuse en état Wenzel (adapté de (71)); b. Schéma de gouttes sur surface hydrophobe rugueuse en état Cassie-

Baxter (adapté de (71))

Dans le modèle de Wenzel, la goutte liquide s’infiltre dans les rugosités de surface, épousant ainsi la forme du solide. Ce modèle suppose que localement l’angle de contact est donné par la loi de Young-Dupré (Équation I-1) et que la surface, chimiquement homogène, a une rugosité de surface petite devant la taille de la goutte. Il permet de décrire l’angle de contact apparent θ∗ sur la surface

-57- rugueuse en fonction de θe et de la rugosité de surface (r). La rugosité de surface r est un nombre sans dimension défini par l’Équation I-2 :

𝑟 = 𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑟é𝑒𝑙𝑙𝑒 𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑎𝑝𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒

Équation I-2 : relation définissant la rugosité de surface dans le modèle de

Wenzel ((71))

Avec :

- r : nombre sans dimension (supérieur ou égal à 1)

- Surface réelle : surface prenant en compte les aspérités de la surface - Surface apparente : surface géométrique plane correspondante

La rugosité de surface r peut donc être égale à 1 si la surface est plane ou supérieure à 1 si elle est rugueuse.

Ainsi la relation de Wenzel s’écrit suivant l’Équation I-3 :

cos 𝛩 ∗ = r cos 𝜃_< Équation I-3 : Relation de Wenzel

Avec :

- Θ* : angle de contact apparent

- r : rugosité de surface sans dimension

- Θe : angle de contact pour une surface plane de même composition chimique que la surface rugueuse

Pour ce modèle, deux comportements différents peuvent être décrits :

- Dans le cadre d’une surface plane hydrophile, la rugosité augmente le comportement hydrophile : Θ*<Θe

- Dans le cadre d’une surface plane hydrophobe, la rugosité augmente le comportement hydrophobe Θ*> Θe

Dans le modèle de Cassie-Baxter la goutte liquide repose sur le sommet des rugosités de la surface. En effet, pour une surface hétérogène, la surface de contact sous une goutte de liquide peut être considérée, d’après les travaux d’A.B.D. Cassie (70), comme une surface composite composée de deux milieux différents, c’est à dire deux zones géométriques σ1 et σ2 auxquelles sont respectivement associés les

angles de contact (angle de goutte) ϴ1 et ϴ2. Dans le cas illustré Figure I-25, la

surface est composée du matériau (solide) et de l’air présent dans les rugosités sous la goutte. Ainsi, l’énergie de surface sous une goutte s’écrit en fonction des tensions interfaciales présentes dans les deux zones comme le décrit l’Équation I-4. De plus, il est possible de décrire l’angle de contact pour une surface composite comme le montre l’Équation I-5.

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Figure I-25 : Schéma d’une goutte liquide dans l’état de Cassie-Baxter sur une surface hétérogène composée de d’un milieu solide et d’un milieu avec de l’air

𝐸 = 𝜎?(𝛾'?( − 𝛾'?*) + 𝜎C(𝛾'C( − 𝛾'C*)

Équation I-4 : Energie de surface sous une goutte de liquide

cos 𝜃′′ = 𝐸

𝛾*( = 𝜎?cos 𝜃?+ 𝜎Ccos 𝜃C

Équation I-5 :Loi de Cassie - angle de contact

Avec :

- E : Energie de surface (mJ/m²)

- ϴ’’ : angle de goutte général obtenu sur la surface hétérogène (°) - σ : zone géométrique

- γ: tensions interfaciales (mN/m ou mJ/m²)

L’un des milieux étant l’air, l’angle de contact Θ2 associé à ce milieu vaut

180° comme l’illustre la Figure I-25 (71). Son cosinus vaut donc -1. En le remplaçant dans l’Équation I-5, nous pouvons écrire l’Équation I-6 :

cos 𝜃EE ₌ 𝐸

𝛾_*( = 𝜎?cos 𝜃?− 𝜎C

Équation I-6 : Loi de Cassie - angle de contact pour une surface hétérogène

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