Les composites dans l’impression 3D

À l’origine, l’impression 3D plastique a débuté avec les thermoplastiques – ABS, PLA, PA, PC, etc. – des matériaux qui permettent quelques cycles de fusion et de durcissement tout en conservant leurs propriétés chimiques intactes. Ils sont très pratiques pour l’extrusion et l’injection, fondent facilement lorsqu’ils sont chauffés, sont flexibles pour créer différentes formes, et la plupart d’entre eux sont recyclables.

Cependant, ils présentent un certain nombre d’inconvénients. Toutes les propriétés qui font que les thermoplastiques conviennent si bien à l’extrusion sont en fait mal adaptées aux applications techniques – ils ne sont pas assez solides et durables pour devenir des pièces fonctionnelles fiables d’une machine ou d’un mécanisme. Les points de fusion de l’ABS et du PLA ne dépassent pas 200°C, ils ne sont pas résistants aux produits chimiques et ne peuvent pas remplacer les constructions métalliques.

Comme les pièces en plastique manquent de rigidité et de force, il est nécessaire de renforcer les plastiques avec des matériaux de remplissage. Les matériaux de remplissage doivent répondre à plusieurs exigences et résoudre des problèmes spécifiques.

Améliorer les propriétés mécaniques

Tout d’abord, ils doivent améliorer les propriétés mécaniques de la pièce obtenue. Ces matériaux sont de préférence utilisés pour

• rendre les pièces produites plus légères,
• réduire les coûts de fabrication,
• avoir une faible absorption,
• être non-toxiques et résistants aux produits chimiques/thermiques,
• être ininflammables.

Améliorer la facilité d’utilisation

En plus de cela, leur facilité d’utilisation est également très importante :

• la dispersibilité du matériau
• un certain degré de flexibilité qui permettra une extrusion en douceur,
• ils doivent se mélanger au polymère sans pores, bulles ou autres défauts,
• et ils ne doivent pas se détériorer ou changer leurs propriétés pendant le transport, le stockage ou l’utilisation.

Cette liste ne nous laisse pas trop d’options pour les matériaux de renforcement.

De nos jours, il existe plusieurs types de renforts fibreux : la fibre de carbone, la fibre de verre, le basalte et le kevlar. Nous nous intéressons plus particulièrement au renforcement en carbone, qui est le type le plus prometteur. Les fibres de carbone offrent les meilleures performances en termes de résistance et de rigidité. Et le point essentiel des CFRP (polymères renforcés de fibres de carbone) réside dans la résistance et la rigidité (relatives). Les CFRP – fibres continues – sont les matériaux les plus connus en termes de propriétés de résistance et de rigidité relatives.

Les fibres et le plastique mélangés ensemble sont appelés matériaux composites. Les pièces fabriquées à partir de ces matériaux présentent une excellente rigidité et résistance, et sont légères par rapport au métal.

Comme indiqué ci-dessus, il existe deux façons d’utiliser les fibres de carbone : hachées (et remplies dans le plastique) et continues (placées couche par couche).

Impression 3D de fibres de carbone coupées

Le filament de carbone haché est un bon point de départ pour améliorer le rapport résistance/poids d’une pièce. Il s’agit d’un matériau d’impression très populaire car la technologie d’extrusion est la même que pour les plastiques habituels. Il n’est donc pas nécessaire d’acheter une autre machine ou un équipement supplémentaire pour commencer à imprimer avec ces composites (à part des buses résistantes à l’abrasion).

Cependant, tout dépend du matériau utilisé ; dans la pratique, les pièces imprimées avec des filaments remplis de fibres coupées présentent souvent des propriétés mécaniques inférieures à celles des filaments non remplis.

La principale différence entre les fibres coupées et les fibres continues est que les composites remplis de fibres coupées ne donnent pas une augmentation tangible de la résistance. On ne peut que tirer parti de la rigidité ou l’améliorer de manière significative. Chez Anisoprint, nous utilisons les deux types de matériaux. Bien que l’anisoprinting soit basé sur des fibres continues pour la fabrication de composites anisotropes renforcés, nous utilisons des fibres coupées pour améliorer la qualité de surface, la rigidité, la résistance à l’usure ou l’aspect d’une pièce.

Artem Naumov, responsable des matériaux chez Anisoprint

Dépôt de fibre de carbone continue

Contrairement aux fibres coupées, il existe une méthode pour renforcer les plastiques avec des fibres de carbone continues. L’idée même de renforcer les plastiques avec de la fibre de carbone continue repose sur ses propriétés uniques. La résistance à la traction de la fibre de carbone continue est très élevée, même par rapport aux métaux. Elle permet de créer des pièces anisotropes, car les utilisateurs peuvent manipuler la fibre dans les directions requises dans la structure d’une pièce imprimée

Ce renforcement est mis en œuvre avec différentes technologies et donne lieu à une gamme de paramètres ajustables de la pièce. La caractéristique commune des structures imprimées en 3D en fibre de carbone continue est qu’elles sont plus solides et plus fiables que celles en métal, moins chères à produire et plusieurs fois plus légères.

L’impression 3D en fibre continue est une idée relativement nouvelle qui ne s’est pas encore largement répandue sur le marché car elle nécessite des technologies spéciales et, par conséquent, des équipements spécifiques permettant l’impression 3D en fibre continue.

Tout d’abord, il existe plusieurs technologies pour produire un filament avec des fibres continues. Les brins de fibres doivent être correctement imprégnés de plastique – sans pores ni défauts. Sinon, il en résultera des propriétés mécaniques médiocres et une rupture facile (fragilité). L’ajout de plus de fibres continues rend les pièces imprimées très solides et rigides, présentant une résistance supérieure à celle de l’aluminium, par exemple. Cependant, si les fibres continues sont trop denses, il est difficile de produire un filament sans cavités ni pores.

Chez Anisoprint, nous avons développé une technologie permettant d’imprégner les brins de fibres d’un thermodurcissable : par capillarité, ou effet de mèche, le thermodurcissable remplit rapidement tout l’espace entre les fibrillas et forme un cordon rigide (après durcissement) prêt à être recouvert d’un thermoplastique de tout type.

Cela permet d’obtenir une part de fibres pouvant atteindre 60 % du volume total (fraction fibre-volume). Les structures à fibres continues peuvent être utilisées comme treillis.

Il ne s’agit pas seulement d’une nouvelle opportunité de conception technologique, mais aussi d’un bon moyen de réduire les coûts grâce à l’utilisation économique des matériaux, ce qui permet également de réduire considérablement le poids de ces pièces. Les treillis améliorent la rigidité des structures, les rendent plus rentables et offrent des solutions de conception toutes prêtes.

Une autre caractéristique importante de la fibre de carbone continue est l’amélioration des propriétés mécaniques. Pour les polymères qui présentent des taux d’usure spécifiques élevés à l’état non renforcé, presque tous les types de fibres de renforcement permettent de réduire considérablement l’usure et d’améliorer les propriétés mécaniques. Cependant, c’est surtout le renforcement en carbone continu qui confère les meilleures propriétés tribologiques, telles qu’un faible taux d’usure dans des conditions de fonctionnement sévères et un coefficient de friction de 0,1-0,2.

L’orientation des fibres permet de concentrer les propriétés des fibres dans une seule direction, alors qu’un mélange aléatoire dissout les propriétés dans toutes les directions. C’est pourquoi les composites renforcés de fibres continues ont des propriétés extrêmement élevées dans la direction des fibres et les polymères renforcés de fibres courtes ont des propriétés assez modestes dans toutes les directions. Cette différence est d’un ordre de grandeur au moins.

Fedor Antonov, PDG d’Anisoprint

Impression 3D de fibres de carbone : des technologies multiples

Comme nous l’avons mentionné plus haut, l’impression de fibres coupées et de fibres continues nécessite des technologies différentes, et une tête d’impression FDM (fused deposition modeling) classique ne peut pas être utilisée pour le renforcement des fibres continues.

Le processus d’extrusion des fibres plastiques et des fibres coupées est le même, tandis que le placement de fibres continues nécessite soit (a) une buse séparée pour fournir le filament renforcé, soit (b) une tête de buse unique avec une construction spécifique pour mélanger la fibre avec la matrice. Certaines technologies font appel à un rouleau de compactage pour presser le renforcement. L’utilisation d’un laser chauffant qui fait fondre les couches ensemble est généralement appelée dépôt par énergie directe (DED).

Enfin, et ce n’est pas le moindre, le logiciel joue ici un rôle majeur. Des paramètres correctement réglés empêchent l’encrassement et permettent un découpage optimal en fonction du matériau de la matrice et du modèle lui-même. Différents jeux de paramètres sont capables de produire des pièces différentes en termes de fraction volumique des fibres et de la façon dont elles sont disposées en couches dans le matériau de la matrice

L’anisotropie, la propriété d’un matériau qui lui permet de changer ou d’assumer différentes propriétés dans différentes directions, et la part de fibres peuvent être manipulées et produire une pièce avec des structures internes très diverses qui présentent un comportement différent. Par exemple, le rapport volumique des fibres et de la matrice peut être de 60 % à 40 %, 70 % à 30 %, 80 % à 20 %, ou autre. Il est important de savoir quel type de charge la pièce doit supporter et dans quelle direction elle sera sollicitée ou pliée.