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L’impression 3D composite : on vous explique tout !

Publié le 28 janvier 2020 par Mélanie R.
composite

Sur le marché de la fabrication additive, davantage d’entreprises utilisent des composites pour concevoir des pièces plus ou moins complexes. Même si ce terme est de plus en plus utilisé, il n’est pas évident de savoir ce qu’est exactement un matériau composite et pourquoi il est employé sur le marché de l’impression 3D. Et pourtant, à en croire la récente étude publié par  IDTechEx, l’impression 3D composite devrait atteindre 1,73 milliards de dollars d’ici 2030 !

Quand on parle de composite, même le béton pourrait rentrer dans cette catégorie de matériaux car il est composé de plusieurs matières différentes. Cependant, le terme est le plus souvent utilisé d’un point de vue technique pour évoquer un matériau qui a été renforcé par des fibres. Si celles-ci sont très bénéfiques lorsqu’elles sont combinées à un autre matériau, elles ne sont presque jamais utilisées seules pour créer une pièce : elles sont ajoutées à un matériau de matrice sous la forme de fibres courtes ou sous la forme de fibres continues (ou longues). L’une des fibres les plus populaires dans l’industrie de l’impression 3D est la fibre de carbone, car elle présente l’un des ratios résistance/poids les plus élevés. Généralement, on retrouve ces matériaux composites sous la forme de filament, forme sur laquelle nous nous attardons principalement dans cet article.

Une pièce imprimée en 3D utilisant un renforcement en fibre de carbone, ce qui permet d’obtenir un ratio résistance/poids plus élevé et de réduire la consommation de matériaux (crédits photo : 9T Labs)

Pourquoi renforcer un matériau avec des fibres ?

Les composites sont extrêmement utiles pour la fabrication de pièces légères mais solides. Les fibres ajoutent en effet de la résistance à une pièce sans impacter son poids. Comme mentionné, il existe deux types de renforts, à fibres courtes ou à fibres continues. Dans le premier cas, les fibres coupées, qui consistent en des segments de moins d’un millimètre de longueur, sont mélangées à des thermoplastiques traditionnels pour augmenter la rigidité et, dans une moindre mesure, la résistance des composants. Les fibres coupées peuvent être mélangées avec des thermoplastiques tels que le nylon, l’ABS ou le PLA. Chaque fabricant ajoutera et mélangera une quantité différente de fibres courtes à son polymère plastique, résultant alors à des filaments de différentes résistances. Sachez que la qualité d’impression sera affectée par la quantité de fibres coupées présentes dans l’association. Au-delà d’un certain seuil, la pièce imprimée en 3D perdra en finition de surface.

On obtient des performances plus élevées lors qu’on utilise des fibres continues. Le processus de fabrication de pièces composites à fibres continues n’est pas aussi simple que celui des pièces composites à fibres courtes, car elles doivent être intégrées dans le thermoplastique en continu pendant l’extrusion de ce dernier. Les fibres peuvent également être déposées selon des techniques de conception qui optimisent le ratio résistance/poids et la consommation de matériau d’une pièce : plus la fibre utilisée est solide, moins on aura besoin d’en ajouter et plus la pièce sera légère. Les fabricants affirment que grâce au renforcement continu des fibres, il est possible de créer des pièces aussi résistantes que le métal.

En termes de fibres disponibles sur le marché, la fibre de carbone est sans aucun doute la plus populaire. On emploie également des fibres de verre et de Kevlar (ou aramide). La fibre de verre est un matériau très rentable, connue pour résister aux hautes températures tandis que le Kevlar présente une grande résistance aux chocs, moins sujet aux cassures puisqu’il a une grande capacité à se plier. C’est pour cette raison qu’il est beaucoup utilisé dans des applications où les chocs sont répétés.

Pièce imprimée en 3D, renforcée en fibres Kevlar (crédits photo : Markforged)

Quelles sont les technologies d’impression 3D composite ?

Pouvoir imprimer avec un matériau composite à fibres continues a été l’objectif d’un certain nombre de startups dans le secteur de l’impression 3D. Ces dernières années, nous avons remarqué qu’un nombre croissant de machines et de technologies ont été lancées sur le marché pour permettre de nouvelles applications, en particulier dans des secteurs industriels tels que l’aérospatiale et l’automobile.

La technologie d’impression 3D varie en fonction du type de composite dont nous parlons. Les composites à fibres courtes peuvent être extrudés selon le processus normal de dépôt de matière fondue, puisque le filament contient déjà la fibre. En revanche, l’impression 3D de fibres continues est un procédé plus délicat qui nécessite une machine à double extrusion pour imprimer en même temps le polymère et la fibre. Les différents fabricants commercialisent leur technologie sous des noms différents, mais l’idée est plus ou moins la même.

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A gauche, des fibres courtes qui se composent de segments de moins d’un millimètre de longueur. À droite, le filament d’impression 3D renforcé avec celles-ci (crédits photo : Markforged)

Par exemple, Markforged a baptisé son procédé Continuous Filament Fabrication (CFF), tandis qu’Anisoprint l’appelle Composite Fiber Coextrusion (CFC). Plus récemment, Desktop Metal a rejoint la course pour répondre à la demande croissante en lançant une nouvelle solution nommée Fiber. Elle repose sur la technologie Micro Automated Fiber Placement (μAFP), qui emploie également deux têtes d’impression pour renforcer en continu le thermoplastique extrudé. Une technologie intéressante est le procédé d’AREVO basé sur la technologie de dépôt de matière sous énergie concentrée, dans lequel un laser est utilisé pour chauffer le filament et la fibre de carbone en même temps qu’un rouleau vient les compresser ensemble.

Impossible Objects et EnvisionTEC ont également ajouté à leur gamme des systèmes d’impression 3D à fibre continue mais la technologie est un peu différente. Ils intègrent des feuilles de fibre de carbone dans une pièce imprimée en utilisant un procédé de laminage. Enfin, Continuous Composites utilise une technologie hybride dans laquelle le brin de fibre est imprégné de résine puis durci à la lumière UV, comme pour la stéréolithographie.

Desktop Metal a présenté sa nouvelle machine Fiber pour répondre à la demande du marché (crédits photo : Desktop Metal)

De nouveaux acteurs apparaissent rapidement sur ce marché : par exemple la jeune pousse 9T Labs basée en Suisse a créé un système complémentaire pour les imprimantes 3D classique afin de permettre l’impression 3D en fibre continue. Ils appellent ce procédé d’impression 3D « Additive Fusion Technology » (AFT) ; le renforcement est constitué d’un matériau chargé en carbone, pas exactement en fibres de carbone pures.

Les applications de l’impression 3D composite

Comme mentionné, les matériaux renforcés en fibres de carbone sont les composites les plus répandus dans l’industrie de l’impression 3D, en particulier pour des applications plus exigeantes qui nécessiteraient un poids léger mais une résistance élevée. On retrouve ici des prototypes fonctionnels, pièces automobiles, ou encore des composants aéronautiques. Ils sont également ajoutés aux matériaux techniques. Par exemple, l’année dernière, des chercheurs en Chine ont étudié les avantages de l’ajout de fibres de carbone aux thermoplastiques haute performance tels que le PEEK.

Le marché des composites est en pleine croissance et de nouvelles combinaisons de matériaux permettront de nouvelles applications toujours plus innovantes. N’oublions pas que Sandvik a créé le premier diamant composite l’année dernière. Habituellement, le diamant est impossible à utiliser dans la fabrication additive car il est trop dur. Cependant, en créant un diamant composite, les propriétés du matériau brut peuvent être utilisées pour de nombreux outils résistants (exploitation minière, forage ou usinage) et aussi pour des implants médicaux ! Notez toutefois qu’on ne parle plus ici de filament mais de poudre.

Le diamant composite conçu par Sandvik

Que pensez-vous de l’impression 3D composite ? Pourra-t-elle remplacer certains procédés de fabrication métal ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives. N’hésitez pas à nous suivre sur Facebook ou Twitter !

*Crédits photo de couverture : SABIC

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