Guide des matériaux pour l'impression 3D : les composites

Source : 3dnatives.com

Les matériaux composites naissent de l’union d’au moins deux matériaux différents. L’un sert de matrice et a pour but de conserver la structure, tandis que l’autre fournit des propriétés supplémentaires en tant que matériau de renfort. L’objectif d’un matériau composite est d’ajouter des propriétés supplémentaires au matériau mère et, si nécessaire, de neutraliser ses propriétés critiques. En ajoutant les propriétés du matériau de renfort respectif au matériau mère, ce dernier obtient de meilleures propriétés mécaniques, une couleur différente, un caractère ignifuge, une stabilité, une capacité de charge, etc. Les matériaux composites se distinguent globalement par leurs caractéristiques matérielles (métalliques, minérales, céramiques, organiques) ou par leur géométrie. Selon les propriétés géométriques, on distingue :

• Les composites particulaires
• Les composites en fibres (courtes, longues ou continues)
• Les composites stratifiés et structurés

Les composites en fibres sont particulièrement répandus. La fibre de carbone est probablement la plus répandue sur le marché, suivie de la fibre de verre, qui est une autre des plus utilisées dans la fabrication additive.

Propriétés des matériaux composites dans l’impression 3D

Les matériaux renforcés pour la fabrication additive sont souvent à base de nylon, mais aussi d’ABS, de PLA, de PC et de PETG. Actuellement, les composites les plus utilisés dans l’impression 3D sont la fibre de carbone, la fibre de verre et la fibre aramide Kevlar (PPD-T). Ces matériaux offrent des avantages pour la réalisation de pièces légères mais résistantes. Pour les fonctions esthétiques, on peut également trouver des fibres de bois, des particules de céramique et des fibres végétales en combinaison avec le PLA. Comme nous l’avons déjà mentionné, il existe différents types de renforts : fibres courtes, longues ou continues. Dans le premier cas, les fibres courtes, constituées de segments d’une longueur inférieure à un millimètre, sont mélangées aux thermoplastiques conventionnels pour augmenter la rigidité et la résistance des composants.

Les meilleures performances proviennent du renfort avec des fibres continues. Le processus de création de pièces avec des composites en fibres continues n’est pas aussi simple que celui avec des composites en fibres courtes car les fibres doivent être intégrées dans le thermoplastique de manière continue au fur et à mesure que le thermoplastique est extrudé. Les fibres peuvent également être déposées selon des techniques de conception qui optimisent le rapport poids-résistance d’une pièce et la consommation de matière, également connues sous le nom de techniques DfAM (Design for Additive Manufacturing). Grâce au renfort avec des fibres continues, il est possible de créer des pièces aussi résistantes que le métal.

Une pièce imprimée en 3D en utilisant un renfort en fibres de carbone, avec un meilleur rapport poids-résistance et une consommation de matière réduite

Technologies d’impression 3D utilisant des composites

Dans la fabrication additive, les matériaux composites se présentent principalement sous forme de filaments et sont donc principalement utilisés dans l’ impression FDM. Cependant, des approches pour les composites métalliques dans le processus laser, comme le LPBF, font également leur chemin. Par exemple, Fraunhofer a développé un processus pour utiliser le rechargement laser (LMD) avec des composites métalliques. Cela souligne la tendance de la fabrication additive de composites à gagner du terrain sur le marché et il est prévu qu’à l’avenir, d’autres technologies permettront l’impression 3D de composites.

Essentiellement, les technologies d’impression 3D de composites diffèrent selon le type de composite utilisé. Les composites à fibres courtes peuvent être extrudés avec le processus FDM normal, car le filament contient déjà la fibre. De plus, la qualité d’impression peut être influencée par la quantité de fibres broyées dans la matrice. Les composites à fibres courtes renforcent uniformément l’ensemble de la pièce. Au-delà d’un certain seuil, cependant, la pièce imprimée en 3D perd en qualité de surface. D’autre part, l’impression 3D à fibres continues est un processus plus compliqué qui nécessite deux buses pour imprimer simultanément. Habituellement, une buse extrude le thermoplastique et l’autre la fibre. Une imprimante qui rend cela possible est la Markforged Mark Two. Cette dernière insère les matériaux à fibres longues dans les pièces qu’elle crée avec le processus FDM. De cette façon, les pièces sont renforcées uniquement là où c’est effectivement nécessaire et souhaité.

À gauche, vous pouvez voir des fibres courtes, composées de segments d’une longueur inférieure à un millimètre. À droite, le filament renforcé par des fibres courtes.

Dans l’impression 3D FDM avec des matériaux composites, une buse d’un diamètre supérieur est souvent nécessaire. Normalement, le fabricant spécifie quel réglage doit être effectué. Pour la fibre de verre, la buse doit être réglée sur un diamètre d’au moins 0,6 mm, pour la fibre de carbone sur 0,4 mm et pour le kevlar, on commence avec 0,6 mm puis on descend progressivement à 0,4 mm. Si le composite présente des particules de bois, il est nécessaire de régler le diamètre entre 0,6 mm et 0,8 mm.

De plus, il convient de noter que les filaments composites peuvent provoquer une usure accrue de la hotend, des tubes et des composants de l’extrudeur. Pour éviter cela, il est conseillé d’utiliser des buses trempées, surtout pour les filaments de carbone, de verre et de kevlar. Il est également important de placer correctement la bobine pendant l’impression pour optimiser le trajet vers l’extrudeur afin qu’il ne soit pas trop long. Outre ces précautions, en raison de la viscosité plus élevée des filaments composites, il est nécessaire de réduire la vitesse d’impression et de ne pas utiliser la vitesse du matériau de base. Néanmoins, les matériaux composites offrent l’avantage de ne presque pas se rétracter lors du refroidissement et ont donc moins de risques de provoquer des erreurs d’impression comme le gauchissement (warping).

Le cadre de vélo d’AREVO a été créé en utilisant l’impression 3D à fibres continues | Crédits : AREVO

Applications des matériaux composites

Être capable d’imprimer avec des matériaux de renfort a été l’objectif de nombreuses startups dans le secteur de l’impression 3D. Au cours des dernières années, nous avons remarqué le lancement sur le marché d’un nombre croissant de machines et de technologies pour permettre de nouvelles applications, surtout dans des secteurs industriels comme l’aérospatiale et l’automobile. Comme mentionné précédemment, la fibre de carbone est l’un des matériaux composites les plus utilisés dans l’impression 3D, surtout pour des applications exigeantes comme les prototypes fonctionnels, les pièces automobiles et les composants résistants mais légers. Par conséquent, les composites en fibre de carbone deviennent de plus en plus populaires également dans le secteur sportif. Les athlètes d’élite utilisent le carbone pour créer des vélos plus légers et donc plus rapides. Ces avantages sont également exploités en Formule 1, dans le secteur automobile et même dans des sports comme le tennis et l’aviron.

Le marché des matériaux composites est en croissance et de nouvelles combinaisons de matériaux permettront de nouvelles applications. Les matériaux d’ingénierie explorent l’utilisation de composants de renfort additifs. En Chine, les chercheurs ont étudié les avantages de l’ajout de fibres de carbone à des matériaux thermoplastiques haute performance comme le PEEK, tandis que Sandvik a créé le premier composite de diamant en 2019. Normalement, il n’est pas possible d’utiliser le diamant dans la fabrication additive car il est trop dur. Cependant, en créant un composite de diamant, les propriétés du matériau peuvent être utilisées pour de nombreux outils durs (extraction, forage ou usinage) et même pour des implants médicaux !

Le diamant composite créé par Sandvik

Fabricants de filaments composites et imprimantes 3D

Évidemment, les matériaux composites ont tendance à être plus chers que les matériaux standard. Cependant, les prix varient selon le fabricant et le composite utilisé. Le prix d’une bobine varie de 150 à 500 euros. Un matériau composite nécessite également une imprimante dotée de propriétés spéciales pour son utilisation. Ces imprimantes sont souvent équipées d’une technologie propre, décrite et commercialisée différemment par les fabricants. Markforged, par exemple, a développé la technologie CFF (Continuous Carbon Fiber) pour les imprimantes de composites qu’elle propose. Anisoprint l’a appelée CFC (Continuous Fiber Coextrusion). Un nom connu qui s’ajoute à la liste des imprimantes pour composites est Stratasys. Avec les imprimantes 3D F190 CR et F370 CR, Stratasys a élargi la série F123 pour proposer des imprimantes compatibles avec les matériaux composites, en particulier ceux à haute rigidité et résistance.

Une autre technologie intéressante est celle brevetée par AREVO. Elle repose sur la technique de dépôt d’énergie dirigée, qui utilise un laser pour chauffer simultanément le filament et la fibre de carbone pendant qu’un rouleau les presse ensemble. La société suisse 9T Labs, par exemple, a développé un système complémentaire pour les imprimantes 3D normales qui permet l’impression 3D de matériaux composites. Ce processus d’impression 3D est appelé AFT (Additive Fusion Technology). Enfin, Continuous Composites utilise une technologie hybride dans laquelle le fil de fibre est imprégné de résine, puis polymérisé avec de la lumière UV, similaire à l’impression 3D SLA.

Le logiciel d’Anisoprint peut générer différents types de remplissages renforcés par des fibres continues

Parmi les fabricants de filaments composites, on trouve également des noms connus. Markforged propose des composites en fibre de verre et Kevlar. Owens Corning est également connue pour ses matériaux renforcés par des fibres de verre. Formfutura, BASF et XYZPrinting ont également ajouté des filaments composites à leur gamme. Parmi les composites en fibres courtes, les fabricants de filaments Roboze, 3DXTech et ColorFabb se distinguent.