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À la découverte des matériaux d’impression 3D : les composites

Publié le 22 juillet 2021 par Philippe G.
matériaux composites

Ces dernières années, l’impression 3D composite est devenue de plus en plus populaire. Cette technologie, qui fait partie des plus jeunes branches de l’impression 3D, est aujourd’hui utilisée par de nombreux acteurs de la fabrication additive, à l’image de l’entreprise Impossible Objects, spécialisée dans ce domaine. À tel point que certaines études estiment que le marché de l’impression 3D composite atteindra 1,73 milliards de dollars d’ici 2030. Logiquement, lorsqu’on évoque l’impression 3D composite, on pense aux imprimantes composites, mais aussi des matériaux composites, au coeur de ce procédé. Constitués d’au moins deux composants, ils disposent de propriétés spéciales.

La plupart du temps, afin de fabriquer ces matériaux, il est nécessaire de mélanger du plastique, qu’on appellera la matrice, avec des fibres. Aujourd’hui, il en existe de nombreuses mais trois fibres sont principalement utilisées pour l’impression 3D : la fibre de carbone, qui est sans doute la plus populaire, la fibre de verre, ainsi que le PPD-T, aussi connu sous le nom de Kevlar. Selon les besoins, il est possible d’utiliser des fibres courtes ou des fibres longues. Les fibres courtes sont intégrées dans la toute la matrice et viendront renforcer l’ensemble de la pièce ; ce type de matériaux est compatible avec une large variété d’imprimantes 3D. Les fibres longues quant à elles sont placées pendant le processus d’impression même et ne sont pas découpées en petits morceaux, permettant d’apporter un renfort seulement où il est nécessaire. Elles sont compatibles avec quelques machines aujourd’hui.

Impression d’un matériau composite (crédits photo : SABIC)

Les matériaux chargés en fibre de carbone

Comme énoncé précédemment, les composites conçus à partir de fibre de carbone sont les plus répandus sur le marché de la fabrication additive. Produite pour la première fois en 1860 par le chimiste Joseph Swan, la fibre de carbone, comme son nom le laisse deviner, est composée de nombreux atomes de carbone liés les uns aux autres. Par beaucoup, elle est considérée comme la fibre permettant de créer des matériaux composites les plus performants. En effet, les matériaux conçus à partir de cette fibre disposent d’une grande rigidité, d’une grande résistance à la traction et d’une bonne résistance chimique. De plus, ces matériaux composites se distinguent par leur faible poids ainsi que leur tolérance élevée aux températures – elles sont surtout réputées pour leur ratio poids/résistance, deux fois plus élevé que celui de l’aluminium par exemple.

On retrouve les matériaux composites à base de fibre de carbone au sein de nombreux domaines, comme l’aérospatiale, l’automobile, le génie civil et bien d’autres secteurs. On retrouve des matrices comme le PLA, le PETG, le nylon, l’ABS ou bien le polycarbonate, qui deviennent de fait plus résistants et plus légers – sachez en tout cas que la fibre de carbone peut aussi se mélanger à de la céramique. La création de ces matériaux composites a permis de développer de nouvelles applications dans le secteur de l’impression, à l’image de la première trottinette électrique imprimée en 3D en fibres de carbone.

Pièce imprimée en 3D à partir de Nylon chargé en carbone (crédits photo : Stratasys)

Les matériaux composites chargés en fibre de verre

Brevetée en 1930, la fibre de verre est, tout comme la fibre de carbone, utilisée pour renforcer de nombreux polymères. Cependant, comparés aux matériaux chargés en fibre de carbone, les matériaux conçus à partir de fibre de verre sont moins rigides mais moins cassant. C’est d’ailleurs principalement pour ces raisons que les matériaux chargés en fibre de verre sont la majorité du temps moins chers. Néanmoins, la fibre de verre offre de bonnes propriétés mécaniques. De plus, elle est considérée comme étant un bon isolant électrique et ayant une faible conductivité thermique. On la compare davantage à d’autres polymères : elle serait par exemple 11 fois plus rigide que l’ABS.

Que ce soit dans le secteur de la construction, du maritime ou même du sport, ce matériau composite est désormais répandu. Par exemple, en collaboration avec Autodesk, Catmarine, Micad et Owens Corning, Moi Composites a créé le bateau MAMBO, le premier bateau imprimé en 3D en fibres de verre.

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Prototype d’une partie d’un pont imprimé en 3D à partir de fibres de verre (crédits photo : CEAM)

Les matériaux chargés en Kevlar

Comme pour les autres fibres évoquées ci-dessus, on retrouve régulièrement le Kevlar mélangé à plusieurs types de plastique afin d’obtenir des matériaux composites. Le Kevlar est une marque déposée par la société DuPont de Nemours, commercialisée pour la première fois en 1971 et inventée par Stephanie Kwolek. Membre de la famille des fibres d’aramide, le Kevlar est l’un des matériaux qui résiste le mieux à l’usure. Doté de bonnes propriétés mécaniques en traction et en fatigue, le Kevlar est principalement utilisé pour fabriquer des pièces exposées à de fortes vibrations et devant résister à l’abrasion. Cinq fois plus résistant que l’acier et plus léger que ce dernier, il dispose également d’une forte résistance à la chaleur – il est capable de résister à des températures allant jusqu’à 400°C. Le Kevlar présente aussi une faible densité.

Pour ce qui est de la fabrication additive, on retrouve le Kevlar principalement dans le domaine de l’automobile, même si, comme tous les matériaux composites, il peut être utilisé pour imprimer en 3D n’importe quel objet. Aptera Motors, une entreprise américaine, a d’ailleurs partiellement imprimé une voiture en 3D et a eu recours à ce matériau composite. On pense aussi à des pièces de test, qui doivent résister à des chocs importants

Filament d’ABS chargé en Kevlar (crédits photo : MARKFORGED)

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