FILAMENTS EN FIBRE DE CARBONE : TOUT CE QU'IL FAUT SAVOIR

Des ampoules aux fusées spatiales, les filaments en fibre de carbone (Carbon Fiber) s'imposent et remplacent les pièces en acier et en métal dans diverses industries. Pourquoi ? Eh bien, la fibre de carbone est cinq fois plus résistante que l’acier tout en étant plus légère. Ces caractéristiques rendent la fibre de carbone adaptée aux applications qui dépendent des propriétés d'un matériau pour optimiser les performances, ce qui est particulièrement souhaitable dans l'industrie automobile, militaire, aérospatiale et d'autres secteurs similaires.

Qu’est-ce que les filaments en fibre de carbone ?

La fibre de carbone a été découverte pour la première fois en 1860 par Sir Joseph Wilson Swan. Plus tard, Thomas Edison a utilisé des matériaux en fibre de carbone à base de cellulose dans les premières ampoules chauffées par l'électricité. Leur haute résistance à la chaleur en faisait des conducteurs électriques idéaux. Bien que la fibre de carbone existe depuis plus de 150 ans, ce n'est qu'à la fin des années 70 que de nouveaux types de fibre de carbone ont fait leur entrée sur le marché mondial. Ces fibres plus récentes contiennent plus de 90 % de carbone et ont considérablement augmenté les rapports résistance/poids et rigidité/poids. Grâce à ces avancées modernes, ainsi qu’à la réduction des coûts de production, nous avons pu comprendre pleinement le potentiel du matériau en fibre de carbone.

Comme beaucoup d'entre vous le savent probablement déjà, les fibres de carbone sont rarement utilisées seules. Nous les trouvons généralement combinées avec d'autres matériaux pour créer un matériau composite ; les composites en carbone sont habituellement composés (en plus de la fibre de carbone) de polymères. Cette combinaison permet d'obtenir un plastique plus résistant, plus léger et doté d'un niveau de rigidité accru.

Les modèles imprimés en 3D avec des filaments en fibre de carbone peuvent être utilisés pour créer de nombreux produits, tels que des pales d'hélice, des cadres de vélo, des ailes d'avion, des composants automobiles, etc.

Le filament en fibre de carbone est formé de fibres de carbone mélangées à un thermoplastique appelé matériau de base. Il existe de nombreux filaments différents pouvant être achetés avec des composants en fibre de carbone, notamment le PETG, PLA, ABS et le filament en nylon. Ces fibres seules sont extrêmement résistantes, et lorsque nous les mélangeons au matériau de base, nous augmentons la rigidité et la résistance du filament, tout en réduisant son poids global.

Les paramètres d'impression d'une imprimante 3D pour les filaments en fibre de carbone doivent être similaires à ceux du matériau de base auquel les fibres ont été ajoutées. Comme les filaments en fibre de carbone sont abrasifs et peuvent obstruer les buses des imprimantes 3D, nous recommandons d'utiliser une buse en acier trempé. Malheureusement, toutes les imprimantes 3D ne peuvent pas imprimer avec des filaments en fibre de carbone car ce matériau nécessite une température d'extrusion élevée (au moins 230 °C) et sa nature abrasive peut endommager les buses en laiton (c’est pourquoi nous avons conseillé la buse en acier). Si vous possédez une imprimante FDM comme l’Ender 3 V2, ne vous inquiétez pas : avec les bonnes modifications sur votre Ender 3, vous pouvez imprimer aussi bien du filament en fibre de carbone que du filament flexible. Il vous suffit d'installer l'extrudeur à entraînement direct Micro Swiss et d'utiliser une buse en acier.

Certaines entreprises ont développé des filaments en fibre de carbone dans une direction encore plus technique. Les matériaux de base de ces filaments sont des polymères haute performance (HPP) comme le PEEK. Le carbone PEEK est un matériau aux caractéristiques extraordinaires en termes de résistance thermique, mécanique et chimique. Ce filament est utilisé dans des domaines très spécifiques où une augmentation supplémentaire des propriétés mécaniques est requise pour obtenir des performances exceptionnelles.

Avantages

• Bonne stabilité dimensionnelle : la résistance à la traction du filament contribue à une meilleure stabilité dimensionnelle, aidant à éviter la déformation et le retrait lors de l'impression 3D.
• Rigidité : généralement, les polymères ayant une haute résistance et durabilité manquent de rigidité. La fibre de carbone n'a pas ce problème, car elle a la capacité de conserver sa forme sous une forte contrainte. Cette caractéristique est très recherchée et utilisée dans l'industrie automobile (pour des supports ou des calibres de contrôle).
• Finition de surface globalement agréable : les filaments en fibre de carbone ont une belle finition mate. Une finition de surface extrêmement lisse permet l'imprimabilité de prototypes fonctionnels.
• Résistance et légèreté : une formidable résistance à la traction et un poids léger rendent les fibres de carbone idéales pour remplacer les pièces en métal. Sa faible densité est la raison pour laquelle il est si léger. Ces caractéristiques sont particulièrement recherchées dans l'industrie robotique.
• Déflexion thermique : exposés à la chaleur, d'autres matériaux peuvent se déformer sous pression ou à des températures élevées. Le filament Carbon Fiber PAHT offre une haute résistance thermique (jusqu'à 160 degrés Celsius). Le Carbon Fiber PET est également capable de supporter des températures plus élevées, jusqu'à 125 degrés Celsius. En même temps, ce filament est très facile à imprimer.
• Grâce à ses propriétés mécaniques exceptionnelles, il peut être utilisé pour divers supports, outils, moules composites pour différents processus de fabrication ou pour un usage personnel.

Inconvénients

• Filament abrasif qui use les buses en laiton. Nous vous conseillons d'utiliser une buse en acier. Les pièces en fibre de carbone ne fondent pas, faites donc attention à ce que la buse ne s'obstrue pas. Vous devez choisir la buse adaptée.
• Hygroscopie : tendance à absorber l'humidité. Il est très important de conserver les bobines de filament en nylon avec fibre de carbone dans un environnement protégé, comme un sachet en mylar et un lieu scellé.
• Coûteux : en raison des processus de production exigeants de la fibre de carbone, ce matériau est connu pour être plus cher que d'autres filaments comme le PLA ou l'ABS. C’est l’une des raisons pour lesquelles il apparaît dans des produits haut de gamme et non sur le marché de masse.
• Fragile : la combinaison de polymère et de fibre de carbone augmente la fragilité du matériau. L'inconvénient d'une rigidité élevée est que la fibre de carbone peut se briser sous des forces ou des pressions élevées. Cela signifie que les projets ou objets exposés à de telles forces ne sont pas idéaux pour la fibre de carbone.

Où pouvez-vous utiliser les filaments en fibre de carbone ?

• Nous voyons la fibre de carbone utilisée par les équipes de course haute performance en Formule 1.
• Les développements aérospatiaux ont prouvé que la fibre de carbone est un matériau fantastique pour renforcer les ailes et les corps d'avions, et il est même en phase de test pour les fusées de nouvelle génération. La légèreté des ailes et des fuselages permet d'emporter plus de carburant et d'atteindre des distances plus longues.
• Dans de nombreuses disciplines sportives comme le cyclisme et le golf, la vitesse et le poids sont très importants, c'est pourquoi les entreprises ont expérimenté l'utilisation de composites en fibre de carbone pour obtenir un avantage compétitif.
• Les usines et autres installations manufacturières qui utilisent la robotique commencent à utiliser la fibre de carbone pour produire des outils capables de supporter un haut degré de force, tout en occupant le minimum de la capacité de levage du bras robotique. Elle peut être utilisée pour divers supports, outils, moules composites pour différents processus de fabrication ou même pour un usage personnel.

Filament AzureFilm Carbon Fiber PAHT

Le filament Carbon Fiber PAHT est l'un des polyamides (PA6) les plus populaires et les plus faciles à imprimer contenant des fibres de carbone. La raison pour laquelle ce matériau est solide, possède une excellente résistance à l'abrasion, une bonne résistance à la fatigue, une bonne résistance chimique, ainsi qu'une haute résistance et une rigidité élevée, est que le filament lui-même possède déjà ces propriétés désirables. La plupart des fabricants choisissent des fibres broyées car elles sont moins chères et plus faciles à utiliser.

AzureFilm, en revanche, utilise des fibres coupées, ce qui signifie que la résistance à la traction est plus grande car les fibres sont plus longues et le produit est mieux lié. En plus d'avoir une excellente résistance à la traction et à l'impact, le filament Carbon Fiber PAHT permet une utilisation continue brève jusqu'à 160 °C (maximum 200 heures). Ce filament est entièrement compatible avec des supports solubles comme le PVA, BVOH, PVOH, et entièrement compatible avec des supports amovibles comme le HIPS. Son absorption d'eau prend environ 4 fois plus de temps pour atteindre le point de saturation par rapport au PA6 non modifié, et il a un point de saturation 5 fois plus bas que les matériaux PA6 conventionnels. L'épaisseur des fibres à l'intérieur varie de 0,4 mm à 0,6 mm, c'est pourquoi nous vous conseillons d'utiliser une buse avec un diamètre supérieur à 0,6 mm.

Exigences pour travailler avec le filament Carbon Fiber PAHT :

• Plateau d'impression chauffant
• Buse trempée – En raison de sa structure abrasive, le filament userait rapidement une buse en laiton standard. Pour ce type de filament, une buse résistante à l'abrasion est nécessaire. Comme ces types de buses ont tendance à être moins conductrices que les buses standard, des températures plus élevées sont généralement recommandées pour l'extrudeur.
• Chambre d'impression chauffée (optionnel) – Conserver le filament constamment dans un endroit sec, à température de travail, est une option pour garantir un environnement constamment contrôlé pour une meilleure qualité du produit.
• Environnement fermé (optionnel) – Garantir un environnement contrôlé constant est un facteur très important permettant une meilleure qualité finale du produit, même si ce filament a la capacité d'être imprimé en 3D sur des machines sans chambre chauffée.

Recommandations pour l'impression :

• Température de la buse : 270 – 290 °C
• Plateau d'impression chauffant : recommandé 90-120 °C
• Vitesse d'impression : 40 – 60 mm/s
• Hauteur de couche : 0,2 mm
• Diamètre de la buse : 0,6 mm
• Surface d'impression : ruban adhésif bleu, ruban Kapton, plaque de verre + spray Dimafix

Filament AzureFilm Carbon Fiber PET

L'autre option qu'AzureFilm a préparée pour vous est le filament Carbon Fiber PET. Ce matériau est le filament chargé en fibres de carbone le plus simple à imprimer. Notre filament Carbon Fiber PET possède une structure renforcée avec des fibres de carbone coupées, ce qui rend sa résistance aux impacts beaucoup plus forte. Ce composite de fibres de carbone coupées repousse les limites existantes dans la recherche d'un filament d'impression 3D de qualité ingénierie vers de nouveaux horizons. Le filament possède d'excellentes propriétés mécaniques sans déformation, incluant une haute résistance en Z et une faible absorption d'eau. Notre filament Carbon Fiber PET est chargé à 15 % de fibre de carbone et a une température maximale à court terme (max. 3 heures) allant jusqu'à 125 °C. Il peut supporter facilement les 100 °C pendant 10 heures ou plus. L'épaisseur des fibres à l'intérieur varie de 0,4 mm à 0,6 mm, c'est pourquoi le diamètre de la buse doit être de 0,6 mm.

Les matériaux renforcés avec des fibres offrent des propriétés mécaniques exceptionnelles. Outre les facteurs typiques influençant les composites, tels que le volume et l'orientation des fibres, les scientifiques ont découvert que les paramètres d'impression, comme le type de buse, la vitesse, la densité de remplissage, l'épaisseur de couche, la température du plateau et le motif de remplissage, influencent également les propriétés mécaniques.

Avantages significatifs du filament Carbon Fiber PET :

• Économique : comme nous utilisons des fibres de carbone coupées, il y a une réduction significative du temps de production, ce qui nous permet de rendre notre matériau économique pour tout client.
• Résistance à des températures plus élevées jusqu'à 125 °C
• Meilleure stabilité dimensionnelle : les fibres de carbone coupées sont extrêmement résistantes et non seulement elles confèrent une haute résistance et rigidité, mais elles aident également à prévenir le retrait lors du refroidissement de la pièce.

Exigences pour travailler avec le filament Carbon Fiber PET :

• Plateau d'impression chauffant
• Buse trempée – En raison de sa structure abrasive, le filament userait rapidement une buse en laiton standard. Une buse résistante à l'abrasion est requise pour ce type de filament. Comme ces types de buses ont tendance à être moins conductrices que les buses standard, nous suggérons d'imprimer avec un extrudeur pour des températures plus élevées. Avec une buse en acier, vous pouvez imprimer le filament Carbon Fiber PET même sur une imprimante comme l’Ender. Vous devez juste avoir une buse qui ne s'obstrue pas (0,6 mm) et qui puisse supporter des températures plus élevées.
• Chambre d'impression chauffée (optionnel) – Conserver le filament constamment dans un endroit sec est une option pour garantir un environnement contrôlé pour une meilleure qualité du produit.
• Nous suggérons d'utiliser un environnement fermé ou une imprimante garantissant un milieu plus stable, mais ce n'est pas strictement nécessaire.

Recommandations pour l'impression :

• Température de la buse : 245 – 270 °C
• Plateau d'impression chauffant : recommandé 80-90 °C
• Vitesse d'impression : 40 – 60 mm/s
• Hauteur de couche : 0,2 mm
• Diamètre de la buse : 0,6 mm
• Plateau de fabrication : ruban adhésif bleu, ruban Kapton, plaque de verre + spray Dimafix