4.2 Comparaison des monofilaments avant et après impression 3D

impression 3D

Lors de cette étude, la comparaison entre deux méthodes de mesure de la conductivité a été réalisée sur les monofilaments après extrusion. La méthode de mesure 2 points (2W), habituellement utilisée au laboratoire, a été comparée à la méthode 4 points (4W). Un banc d’essai a été spécialement développé pour cette mesure (Figure B-32).

B-Thème développé : « filaments fonctionnels »

Figure B-32 Méthode de mesure en quatre points (4W) et son schéma de principe de la configuration de mesure de la résistance.

La Figure B-33 montre la comparaison de la conductivité électrique en fonction du taux de charges avec la méthode de mesure deux points (2W) ou quatre points (4W). Dans les deux méthodes, la conductivité augmente avec la quantité de charge pour arriver à saturation de la conductivité électrique. La conductivité des filaments chargés avec les NTC est supérieure à la conductivité de ceux chargés avec le KB avec le même taux de charge dans le PLA. Par la méthode de mesure de la résistance en quatre points, le seuil de percolation du mélange PLA/NTC est de 0,54% et de 1,7% pour le PLA/KB. Le rapport de forme des NTC permet un contact plus efficace des charges par rapport aux structures plus sphériques comme le noir de carbone, et provoque des valeurs de conductivité plus élevées. En effet, les NTC forment plus rapidement le réseau tridimensionnel dans la matrice polymère, et en conséquence, les électrons peuvent passer d'une charge à l'autre [60].

Figure B-33 Conductivité électrique en fonction de la teneur en charge pour les filaments contenant des NTC ou du KB par deux méthodes différentes de mesure de la résistance : 2W : 2 points, 4W : 4 points.

Concernant l’utilisation des deux méthodes de mesures, on remarque peu de différences de valeurs de conductivités avec les mélanges chargés en KB. Par contre, la conductivité des nanocomposites chargés en NTC mesurée avec la méthode 4W est meilleure qu’avec la méthode 2W. D’autre part, le calcul des seuils de percolation, montre des seuils inférieurs et des résultats plus précis par le système de mesure 4 points. Ce résultat peut être attribué à l'élimination de l'effet de la résistance de contact [61]. L’image TEM du PLA chargé à 1wt. % de NTC montre bien l’alignement des charges dans le sens de production du filament (Figure B-33). Gong et al. [62] ont montré que la propriété électrique anisotrope des nanocomposites polymère/NTC est principalement affectée par la densité de chemins conducteurs anisotropes, qui est lié à l'état d'alignement des NTC dans la matrice polymère. De ce fait, l’'utilisation d'une méthode de mesure en quatre points peut permettre de prendre en compte les chemins conducteurs anisotropes. Par conséquent, l'utilisation de la méthode de mesure en quatre points pour les nanocomposites à base de NTC peut présenter des conductivités électriques plus élevées, comme mesurées ici.

Dans cette étude, afin d’étudier les propriétés morphologiques et électriques avant et après impression 3D, les filaments provenant de la buse de l’imprimante ont été collectés. L’influence du procédé d’impression sur la conductivité électrique est illustrée sur la Figure B-34. La conductivité électrique des filaments imprimés diminue en comparaison avec les filaments extrudés pour les mélanges PLA/NTC et PLA/KB. Cette diminution de la conductivité électrique est due à la modification des chemins de conductions durant l'impression 3D. L'impression 3D d'un filament nanocomposite peut être considérée comme un processus de filage en voie fondue qui implique deux types de contraintes: l'une est le cisaillement, l'autre l’élongation. De ce fait, l'écoulement et donc le cisaillement à travers la buse peut à la fois générer et détruire des agglomérats secondaires. Bien que la formation d'agglomérats soit accélérée par l'écoulement, des agglomérats secondaires peuvent être facilement détruits par le cisaillement engendré. Par conséquent, la compétition entre la construction et la destruction des agglomérats secondaires peut être considérée comme le mécanisme principal modifiant la conductivité électrique finale des filaments extrudés. La Figure B-35 montre les images TEM d'un filament extrudé et imprimé de PLA contenant 1% de NTC en coupe transversale. Cette figure révèle qu’il y a moins d'agglomérats secondaires sur le filament imprimé en comparaison avec les images TEM du filament avant l'impression 3D. De plus, une différence de diamètre des filaments extrudés et des filaments imprimés est

B-Thème développé : « filaments fonctionnels »

notable (diamètre de l'extrudeuse 2 mm et diamètre de buse d’impression (0,4 mm)). En effet, comme précédemment vu dans les différentes études, l’impact du diamètre sur la conductivité électrique est un paramètre à prendre en compte.

Figure B-34 Conductivité électrique en fonction de la teneur en charge pour les filaments contenant des NTC ou du KB avant et après impression 3D [63]

Figure B-35 Images TEM d’une coupe transversale d’un filament PLA+1% NTC après extrusion a) et après impression b).[63]

Deux filaments contenant respectivement 5% de KB et 2% de NTC avec des conductivités identiques ont été choisis pour imprimer des pistes (Figure B-34). Les propriétés électriques de ces pistes ont été étudiées par la méthode de mesure en quatre points en fonction du nombre de couches imprimées et donc la section transversale (A en mm²). La Figure B-36 montre la décroissance exponentielle de la résistance avec la section transversale des pistes imprimées en 3D. Comme prévu, la résistance décroît exponentiellement avec l'augmentation de la section transversale des pistes.

b)

Figure B-36 Résistance en fonction du diamètre (section transversale A) des pistes imprimées en 3D contenant 2% NTC et 5% KB