Qu’est-ce que l’impression 3D de fibre de carbone ?

En impression 3D, la fibre de carbone est utilisée pour renforcer d’autres matériaux, généralement des thermoplastiques. Son utilité principale est de fabriquer des pièces plus résistantes et plus légères, deux propriétés qui s’avèrent très attrayantes pour des applications d’ingénierie dans un large éventail d’industries.

Dans certains cas, les impressions renforcées par des fibres de carbone peuvent même remplacer des pièces qui sont traditionnellement faites de métal.

Il est possible d’imprimer du filament renforcé en fibre de carbone sur une imprimante 3D ordinaire, si cette dernière est équipée d’une buse en acier trempé.

Cependant, et c’est le sujet sur lequel nous allons nous concentrer dans ce guide, l’impression de fibre de carbone en continu produit des pièces nettement plus fortes et résistantes. En fait, l’imprimante dépose une fibre de carbone directement dans la pièce pendant son impression.

Sur cette page, vous trouverez une présentation exhaustive de l’impression 3D de fibre de carbone continue et des imprimantes 3D qui en sont capables, ainsi que des principaux acteurs sur ce marché de niche. Nous proposons également quelques alternatives, avec une sélection rapide d’imprimantes 3D étant optimisées pour imprimer des filaments chargés en fibre de carbone.

Imprimantes 3D à fibre de carbone continue en 2021

MarqueProduitTechnologieTaille d’impressionPaysPrix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
Anisoprint Composer A3Extrusion420 × 297 × 210 mmLuxembourg24 000 €Obtenir un devis
Anisoprint Composer A4Extrusion297 × 210 × 148 mmLuxembourg13 500 €Obtenir un devis
CEAD CFAM PrimeExtrusion2000 × 4000 × 1500 mmNetherlandsContacter le fabricant
Desktop Metal Fiber HTExtrusion310 × 240 × 270 mmUnited States10 000 €Obtenir un devis
Impossible Objects CBAM-2LaminationUnited States100 000 €Obtenir un devis
Markforged X7Extrusion331 × 270 × 200 mmUnited States69 900 €Obtenir un devis
MarkForged Mark TwoExtrusion320 × 132 × 154 mmUnited States20 000 €Obtenir un devis

Les technologies listées ci-dessus sont des catégories générales de technologies. Chaque fabricant possède sa propre appellation et sous-catégorie de technologie d’impression 3D de fibre de carbone.

Présentation des imprimantes 3D à fibre continue

http://Anisoprint%20Composer%20A4
Sélection
PaysLuxembourg
Volume420 × 297 × 210 mm
TechnologieExtrusion
Prix
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24 000 €

Anisoprint is a Russian company (with offices in Luxembourg) that specializes in composite carbon fiber and basalt fiber printing technologies. The Composer is their flagship machine, which comes in two sizes, A3 and A4. It boasts a “co-extruder”, which mixes a thermoplastic filament with a single continuous strand of carbon fiber.

According to Anisoprint, parts 3D printed with their CFC technology (Composite Fiber Co-extrusion) boast up to twenty times more strength than parts made with basic plastic. They’re also said to be four times lighter than Titanium-made parts.

CFC technology is compatible with any thermoplastic with a processing temperature of 270°C or under.

Sélection
Par CEAD
PaysNetherlands
Volume2000 × 4000 × 1500 mm
TechnologieExtrusion
Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).

CEAD, basé aux Pays-Bas, produit des imprimantes 3D à grande échelle pour des cas d’usage industriels. Leur CFAM Prime offre un volume d’impression massif de 2000 x 4000 x 1500 mm, faisant d’elle l’une des plus grandes imprimantes 3D du monde.

Elle est capable de renforcer des impressions avec de la fibre de verre ou de carbone, et est compatible avec de nombreux polymères y compris les matériaux à haute performance comme le PEEK.

Cette imprimante 3D est dotée de caméras thermiques, lui permettant d’augmenter ou de diminuer les températures afin d’assurer un environnement optimal.

PaysUnited States
Volume
TechnologieResin > Other
Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
> 250 000 €

Continuous Composites a mis au point un moyen unique d’imprimer en 3D de la fibre de carbone. L’imprimante elle-même est en fait une grosse tête d’impression qui peut être fixée sur un bras robotisé industriel.

Pour simplifier, on peut dire que la tête d’impression applique une résine sur une fibre continue, au fur et à mesure que celle-ci est poussée à travers la buse. Une fois sortie de la buse, la fibre recouverte de résine est instantanément solidifiée par une source de lumière UV.

Cette technologie permet au bras robotique d’imprimer en 3D des pièces volumineuses et complexes sans avoir besoin de structures de support. Mis à part la fibre de carbone, il est possible d’utiliser plusieurs types de fibre, notamment du Kevlar ou de la fibre de verre, mais aussi de la fibre optique ou du fil métallique (par exemple le cuivre).

http://Desktop%20Metal%20Fiber%20LT
Sélection
PaysUnited States
Volume310 × 240 × 270 mm
TechnologieExtrusion
Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
10 000 €

Desktop Metal est principalement connu pour ses imprimantes 3D métal. Sa gamme Fiber, cependant, constitue pour eux un point d’entrée sur le marché de nice de l’impression 3D à fibre continue.

Intégrée dans une machine facile d’utilisation, la technologie Micro AFM offre des pièces résistantes et légères. La version LT permet de renforcer du nylon (PA6) avec de la fibre continue ; soit de la fibre de carbone, soit de la fibre de verre.

Pour les utilisateurs ayant besoin de pièces encore plus résistantes, notamment à la chaleur et aux produits chimiques, il existe la version HT. Cette version peut imprimer du filament PEEK et le renforcer lui aussi avec de la fibre de carbone ou de verre.

Sélection
PaysUnited States
Volume
TechnologieLamination
Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
100 000 €

Cette machine industrielle utilise des poudres de plastique en combination avec des feuilles de fibre de carbone ou de fibre de verre.

D’abord, une tête d’impression trace un liquide sur une feuille de fibre selon la forme de la pièce à imprimer. Ensuite, une couche de poudre est appliquée sur la feuille.

La poudre adhère ainsi aux endroits où le liquide a été déposé. La poudre restante et non collée est balayée, et le processus se répète couche après couche. Les couches sont chauffées entre elles et compressées pour révéler la pièce finale.

La CBAM-2 imprime avec du PEEK ou du Nylon en combinaison avec de longues fibres de carbone ou de verre.

http://Markforged%20X7
Sélection

X7

PaysUnited States
Volume331 × 270 × 200 mm
TechnologieExtrusion
Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
69 900 €

Au cours des dernières années, Markforged a levé des millions de dollars pour développer leurs technologies. Leur dernier coup de maître : la Metal X, imprimante 3D métal. Toutefois, Markforged est plus amplement connu pour ses imprimantes 3D à fibre continue.

La X7 imprime du filament propriétaire Onyx– un nylon déjà chargé avec de la fibre de carbone hachée– qu’elle renforce de manière continue avec une unique fibre de carbone. Ainsi, l’imprimante produit des pièces très solides. Elle est également très précise grâce à son scanner 3D intégré qui mesure constamment l’espace d’impression.

La gamme X de Markforged inclut également la X3, spécialement conçue pour les filaments pré-renforcés à la fibre de carbone, et la X5, conçue pour l’impression de fibre de verre continue.

Sélection
PaysUnited States
Volume320 × 132 × 154 mm
TechnologieExtrusion
Prix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
20 000 €

Tandis que la Markforged X7 est destinée à un usage industriel, la Mark Two est une imprimante 3D de bureau pour les professionnels. Elle est compatible avec d’autres fibres en plus de la fibre de carbone, notamment la fibre de verre, le kevlar, et le « HSHT » (fibre de verre à haute résistance et haute température).

Quant au matériau de base, c’est-à-dire la matrice, il est uniquement possible d’utiliser le filament propriétaire de Markforged, l’Onyx.

Le lit d’impression de la Mark Two est facilement amovible en quelques secondes. Cela permet par exemple de mettre une impression en pause, de sortir le plateau d’impression, d’ajouter des composants à la pièce, puis de remettre le plateau et de poursuivre l’impression 3D.

Si vous recherchez quelque chose de plus abordable, la Markforged Onyx Pro (6 400 €) peut imprimer du Onyx avec un renforcement continu à la fibre de verre.

Mentions spéciales : autres technologies

Orbital Composites

Orbital Composites explore les possibilités d’impression 3D de fibre de carbone depuis 2013. Leur technologie, nommée Coaxial Extrusion, est assez complexe à expliquer. Ils utilisent des buses mélangeuses à haute pression et non à haute température. Cela permet d’imprimer plus rapidement qu’avec les méthodes FDM traditionnelles.

La technologie Coaxial Extrusion est capable d’imprimer des structures multifonctionnelles à partir de fibre de carbone, de cuivre, de nanomatériaux, de céramique, et plus encore. Les produits Orbital Composites sont destinés à des usages très industriels et ne sont pas encore disponibles sur le marché.

Alternatives aux imprimantes 3D à fibre de carbone continue

Toutes les imprimantes 3D à fibre de carbone dans notre liste principale impriment de la fibre continue. Si vous n’avez pas besoin de telles capacités, vous pourriez jeter un oeil aux imprimantes 3D suivantes. Elles sont en partie optimisées pour les matériaux composites comprenant de la fibre de carbone.

Stratasys Fortus 380mc

Stratasys est l’un des acteurs majeurs sur le marché des imprimantes 3D professionnelles et industrielles. Ils produisent des imprimantes 3D couleur, des imprimantes 3D résine, des imprimantes 3D PEEK, entre autres. Stratasys produit également des imprimantes 3D conçues spécialement pour la fibre de carbone, notamment la Fortus 380mc Carbon Fiber Edition.

Cette imprimante 3D est compatible avec deux matériaux propriétaires Stratasys, à base de fibre de carbone et d’ASA ou de Nylon.

Fusion3 F410

La Fusion3 F410 a été conçue pour les matériaux composites. Elle est dotée d’un extrudeur propriétaire avec un système de câble en kevlar. Cette tête d’extrusion peut imprimer à des vitesses de 250 mm/s et bénéficie d’un espace d’impression de 355 x 355 x 315 mm.

L’imprimante 3D est également équipée d’un lit d’impression avec chauffage multi-zones et peut imprimer de nombreux matériaux : PETG, ABS, PLA, polycarbonate, et matériaux à base de fibre de carbone ou de verre.

Roboze One +400 Xtreme

La Roboze One +400 Xtreme est l’une des meilleures imprimantes 3D pour imprimer le PEEK, mais c’est également un excellent choix pour imprimer des composites.

Sa buse d’impression peut atteindre jusqu’à 500°C, lui permettant d’imprimer de nombreux matériaux exotiques. Roboze propose des mélanges propriétaires comme le Carbon PEEK ou le Carbon PA, entre autres filaments techniques.

Fibre de carbone continue vs. filament chargé en carbone

Il existe de grandes différences entre l’impression en fibre de carbone continue et l’impression d’un filament chargé en fibre de carbone hachée.

Fibre de carbone continue

Ici, de longs brins continus de fibre de carbone sont mélangés à un plastique pendant le processus d’impression 3D. Ce plastique de base, appelé matrice, peut s’agir de PLA, d’ABS, de nylon, de PEEK, ou quasiment tout autre thermoplastique.

L’une des manières de renforcer des pièces avec de la fibre de carbone continue consiste à utiliser une sorte de double buse d’extrusion. Une buse dépose un plastique tandis que l’autre dépose la fibre de carbone. Le mélange se fait parfois directement dans une buse unique. Markforged et Anisoprint utilisent ce type de technologie, qui tombe sous la catégorie de l’extrusion.

Composite Fiber Coextrusion Anisoprint
La technologie Composite Fiber Coextrusion d’Anisoprint. Source : Anisoprint

Il est également possible de tisser des feuilles de carbone grâce à un processus de lamination. C’est le type de technologie qu’utilisent EnvisionTEC et Impossible Objects avec leurs imprimantes 3D carbone.

Continuous Composites, eux, utilisent une technologie hybride unique. Une fibre de carbone continue est imprégnée de résine, et est ensuite solidifiée avec une puissante lumière UV lorsqu’elle sort de la buse. En termes simplifiés, on peut dire que c’est un mélange d’extrusion et de photopolymérisation.

Ces méthodes d’impression 3D de carbone peuvent produire des pièces extrêmement résistantes et solides, et ce plus qu’en utilisant simplement du filament chargé au carbone.

Filament carbone (chargé en fibres de carbone)

Le filament carbone, c’est-à-dire le filament renforcé aux fibres de carbone, est la manière la plus courante d’imprimer du carbone en 3D. Celui-ci est déjà incorporé ou « chargé » dans le filament et est prêt à être imprimé en 3D avec une imprimante 3D FFF plus ou moins ordinaire.

Un matériau de base, appelé matrice, (PLA, Nylon, etc.) est mélangé avec de minuscules brins de fibre de carbone. Ces brins de carbone sont très abrasifs, donc l’imprimante 3D devra être équipée d’une buse en acier trempé ou autre matériau solide pour résister à l’érosion.

Les pièces imprimées avec ce filament sont plus résistantes et légères que les pièces imprimées avec du simple plastique. Cela dit, leur résistance et rigidité dépendront du pourcentage de carbone chargé (certains filaments incluent par exemple 20% de carbone) ainsi que du matériau de la matrice (le Nylon est plus résistant que le PLA, par exemple).

Autres matériaux pour l’impression 3D à fibre continue

Plusieurs imprimantes 3D à fibre continue sont compatibles avec d’autres types de fibres en plus du carbone.

Fibre de verre

Ce matériau de renforcement d’entrée de gamme peut produire des pièces considérablement plus solides et plus rigides que l’ABS et le nylon. Il est plus flexible que la fibre de carbone et moins cher.

Kevlar

Le Kevlar est une autre fibre intéressante pour l’impression 3D, surtout lorsqu’il s’agit d’imprimer des pièces destinées à absorber les chocs.

Basalte

Anisoprint a introduit le basalte à leur gamme de fibres début 2019. Ce matériau est aussi résistant que l’acier inoxydable et cinq fois plus léger que l’acier.

Renforcer des pièces avec de la fibre de carbone continue

En utilisant l’impression 3D à fibre continue, il existe deux manières générales de renforcer une pièce avec du carbone :

  • Concentrique : c’est le renforcement du périmètre de la pièce, c’est-à-dire de ses « murs »
  • Isotrope : c’est le renforcement du remplissage intérieur de la pièce

Dans certains cas, le renforcement du périmètre suffira pour que la pièce serve son but. D’autres applications plus exigeantes nécessiteront peut-être un léger remplissage, et d’autres auront besoin d’un remplissage très dense.

Plus vous remplissez votre pièce, plus cela prendra de matériau et plus la pièce vous coûtera cher.

Type remplissage renforcement fibre de carbone Anisoprint
Différents types de remplissage pour renforcer une pièce au carbone. Source : Anisoprint sur Aniwaa

Avantages et limites de l’impression 3D à la fibre de carbone continue

Comme tout matériau ou toute technologie, l’impression carbone 3D en continu présente à la fois des avantages et des limites.

Avantages de l’impression 3D carbone en fibre continue

L’impression de fibre de carbone en continu permet de produire des pièces qui :

  • Bénéficient d’une grande résistance, rigidité et stabilité dimensionnelle
  • Sont légères
  • Présentent une excellente finition et apparence

La fibre de carbone est, de plus, compatible avec de nombreux thermoplastiques.

Limites de l’impression 3D carbone

Les quelques limites du carbone sont les suivantes :

  • Le choix de couleur est très limité (uniquement des nuances de gris foncé)
  • Son prix est très élevé

Seul, ce matériau est aussi quelque peu cassant, mais en l’associant à un plastique plus souple il est possible de contrer cette propriété.

Imprimer en 3D avec du filament chargé en carbone

Pour imprimer du carbone avec une imprimante 3D de bureau standard, il faut :

  • une buse en acier trempé pouvant atteindre au grand minimum 200°C (visez plus haut si possible)
  • un système de refroidissement des pièces
  • idéalement un lit d’impression chauffé pouvant atteindre au moins 60°C voire 80°C
  • idéalement un châssis fermé

Il faut parfois même une buse avec un diamètre plus grand que le diamètre standard de 0.4 mm afin d’éviter de boucher la buse avec les petites fibres de carbone.

Ces indications sont générales et peuvent varier selon les filaments et matrices. Par exemple, une buse à 200°C peut suffire pour du PLA renforcé, mais cette température serait bien trop basse pour le Nylon renforcé qui lui nécessite environ 250°C.

Vérifiez bien les recommandations fournies par les fabricants avant de passer commande !

Marques de filament enrichi en fibre de carbone

3DXTech

3DXTech est une entreprise basée aux US et qui produit des filaments variés. Ils produisent notamment le CarbonX, un filament haut de gamme et disponible en neuf versions se différenciant par leurs matrices.

Pour un usage basique, il y a du filament carbone à base de PLA ou d’ABS, mais pour les cas d’utilisation plus poussés il y en a également à base de PEKK, PEEK, PEI, PC, nylon, et PC/ABS.

Colorfabb

Colorfabb produit ses filaments populaires dans leur usine aux Pays-Bas. Ils offrent de nombreux choix de matériaux et de couleurs intéressantes, mais uniquement un filament carbone, le XT-CF20.

Ce filament carbone composite offre des surfaces mates et est composé de fibres de carbone à hauteur de 20%. Il est disponible en format 1.75 mm et en 3.00 mm (diamètre du filament).

Proto-Pasta

Proto-pasta propose un filament PLA enrichi en fibres de carbone à hauteur de 15%. Ce filament est compatible avec la plupart des imprimantes 3D, tant que la buse est résistante et peut atteindre les 230°C.

Services d’impression 3D

L’impression 3D en fibre de carbone peut produire d’excellents résultats. Cependant, si vous avez un faible niveau de demande pour ce genre de pièce, cela ne vaudra peut être pas le coup d’investir dans une imprimante 3D.

Dans ce cas, vous pouvez tout à fait commander vos pièces en ligne via un service d’impression 3D. Il suffit d’envoyer un modèle, de choisir le matériau et la technologie à utiliser, puis le service l’imprime et vous l’envoie.

FAQ

Peut-on imprimer du carbone avec n’importe quelle imprimante 3D ?

Avec une buse résistante et un bon lit d’impression, il est possible d’imprimer du filament enrichi en fibre de carbone.

Est-il possible d’imprimer de la fibre de verre ?

Avec une imprimante 3D à fibre continue, il est possible d’imprimer de la fibre de verre en renforçant un autre matériau.

Qu’est-ce qu’un matériau composite ?

Un matériau composite est un matériau étant composé d’au moins deux matériaux différents.