Explorer les matériaux composites pour l'impression 3D : guide pratique pour ingénieurs

La fabrication additive utilise une large gamme de matériaux, des thermoplastiques haute performance comme le PEEK aux métaux aérospatiaux comme le titane.

Parfois, les ingénieurs veulent combiner les propriétés de deux matériaux différents, et l'une des meilleures façons d'y parvenir est d'utiliser des composites. Utilisés dans des procédés comme le FDM et le SLS (ainsi que des technologies novatrices), les matériaux composites contiennent généralement un thermoplastique de base et un élément de renforcement tel que la fibre de carbone. Le ratio entre les deux peut varier, tout comme la méthode d'intégration du renfort.

Avec l'amélioration des technologies d'impression 3D, l'utilisation de composites imprimables en 3D se généralise. Elle ne se limite pas à l'industrie : si certains composites (poudres SLS) visent principalement les utilisateurs industriels, d'autres (thermoplastiques renforcés de fibres courtes) peuvent être utilisés sur des imprimantes FDM de gamme moyenne pour consommateurs et professionnels.

Cet article sert de guide introductif aux matériaux composites pour l'impression 3D. Il examine quelques matériaux et technologies populaires, explique la différence entre composites à fibres courtes et à fibres continues, et considère les principales applications et avantages.

Que sont les matériaux composites pour l'impression 3D ?

Simplement, un matériau composite est composé de deux ou plusieurs matériaux différents. Le spécialiste Markforged définit les composites comme « composés de plus d'un matériau qui, combinés, ont des propriétés différentes de celles de leurs matériaux d'origine ».

Exemples hors impression 3D : contreplaqué (couches de placages de bois différents) et béton armé (béton renforcé par barres d'acier).

En impression 3D, les composites sont généralement une combinaison d'un thermoplastique de base (matrice) et d'un renfort tel que fibre de carbone, fibre de verre, graphène ou Kevlar. (Un mélange de deux thermoplastiques, comme PLA + ABS, est généralement appelé blend, pas composite.) Les matériaux de base peuvent être variés, mais les utilisateurs industriels privilégient des thermoplastiques premium aux bonnes caractéristiques même sans renfort : PC, nylon, PEEK.

Les composites prennent différentes formes : poudres mélangées pour frittage laser sélectif (SLS) et filaments mélangés pour dépôt de filament fondu (FDM). Moins courants mais prometteurs : composites associant un matériau de base à des fibres continues qui, par des procédés novateurs, peuvent être enfilées ou tissées dans la matrice thermoplastique pendant l'impression. Ces procédés nécessitent généralement deux buses : une pour le thermoplastique, une pour les fibres continues. Enfin, il existe quelques résines composites pour photopolymérisation (SLA) ; la résine thermodurcissable de base est durcie autour d'un squelette de fibres de renfort.

Matériaux composites populaires pour l'impression 3D

Qu'ils soient en poudre, filament ou autre forme, les matériaux composites sont généralement développés pour leur haute résistance, haute rigidité, bonne stabilité dimensionnelle et bon rapport résistance/poids. Les fibres sont extrêmement légères et peuvent améliorer drastiquement la résistance d'un thermoplastique sans en augmenter la masse. Les composites d'ingénierie imprimés en 3D peuvent même remplacer le métal.

Les thermoplastiques de base pour composites FDM vont des polymères courants comme PLA et ABS (entrée de gamme) aux polymères haute performance comme PEEK (haut de gamme). Le nylon est le principal matériau pour poudres composites SLS (c'est le matériau principal du frittage laser), mais des matériaux haute performance comme le PAEK peuvent aussi être utilisés.

Globalement (hors impression 3D), la fibre de verre est le renfort le plus populaire — et largement utilisée en impression 3D. Dans la fabrication additive, cependant, les fibres de carbone sont bien plus utilisées que le verre, car l'impression 3D composite vise souvent des applications critiques où la résistance supérieure du carbone justifie le surcoût. Autres renforts : Kevlar et graphène.

Matériaux de base

• Polyamide / nylon (PA)
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
• Acide polylactique (PLA)
• Polycarbonate (PC)
• Polyetherimide (PEI)
• Polyphénylène sulfure (PPS)
• Polyether ether ketone (PEEK)
• Polyarylétherketone (PAEK)

Renforts

• Fibre de carbone
• Fibre de verre
• Billes de verre
• Kevlar
• Graphène
• Autres métaux

Exemples de matériaux composites de marque : EOS PA 640-GSL, poudre SLS PA 12 nylon renforcée billes de verre et fibres de carbone ; 3DXTech CarbonX PETG+CF, filament FDM PETG renforcé fibres de carbone courtes ; Onyx de Markforged, base nylon chargée fibres de carbone, pouvant être renforcée fibres continues via la technologie propriétaire Markforged.

Procédés d'impression 3D pour matériaux composites

Hormis quelques exceptions, les technologies clés pour l'impression 3D composite sont le FDM, le SLS et les procédés novateurs pour fibres continues.

FDM

Le FDM est le procédé d'impression 3D le plus utilisé pour pièces plastiques, et de nombreuses machines de gamme moyenne traitent des composites comme l'ABS renforcé fibres de carbone. Les composites FDM consistent en un thermoplastique de base et (généralement) des fibres courtes, discontinues. Ces fibres renforcent et rigidifient les pièces, mais en grande quantité peuvent rendre le filament plus difficile à imprimer et dégrader la qualité de surface.

SLS

Le SLS est un autre procédé d'impression 3D plastique adapté aux composites. Du fait du coût et de la complexité des systèmes SLS, cette technologie est surtout utilisée par des industriels. Les matériaux sont un mélange de poudres thermoplastiques (souvent nylon) et d'éléments de renfort comme fibres courtes ou billes de verre. Notez que les poudres composites SLS ne sont pas universelles ; des fabricants comme EOS produisent des machines dédiées à l'impression composite.

Procédés novateurs pour fibres continues

L'un des domaines les plus avancés de la fabrication additive est l'impression de composites à fibres continues. Des entreprises comme Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs et Anisoprint ont développé des matériels capables d'intégrer des fibres continues dans des pièces thermoplastiques pendant l'impression, généralement en alimentant des fibres continues dans chaque couche via une buse séparée.

Composites à fibres courtes vs fibres continues

Les matériaux composites avec fibres de renfort se divisent en deux catégories distinctes : composites à fibres courtes et composites à fibres continues. Deux composites aux mêmes matériaux constitutifs peuvent se comporter très différemment selon qu'ils ont des fibres courtes ou continues.

• Fibres courtes : minuscules brins de renfort (carbone, Kevlar) mesurant généralement moins d'un millimètre. Ils se mélangent facilement dans une matrice thermoplastique (PLA, ABS, etc.), augmentant résistance et rigidité. Très polyvalents : compatibles avec de nombreux thermoplastiques, imprimables sur imprimantes ordinaires. Cependant, chaque fibre prend une orientation aléatoire, rendant le matériau moins résistant qu'avec fibres continues.
• Fibres continues : longs brins unidirectionnels de renfort qui, intégrés dans une matrice thermoplastique, offrent une résistance largement supérieure. Un brin continu absorbe et répartit les charges sur toute sa longueur, donnant une capacité portante supérieure à un brin court. Depuis environ cinq ans, l'impression 3D composite à fibres continues se démocratise, plusieurs fabricants développant leurs propres technologies. Cela reste plus cher que les fibres courtes, du fait du matériel dédié requis.

Applications des matériaux composites

Les composites ont de nombreux usages dans de nombreux secteurs, pour prototypes, pièces finales et outillage.

Secteurs utilisant la fabrication additive et composites : aérospatial, automobile, électronique, biens de consommation, médical, industriel. La plupart utilisent l'impression 3D composite pour pièces à haute rigidité, de petite taille (bien que certains systèmes d'extrusion grand format impriment des composites).

L'outillage — petite ou grande échelle — est une application particulièrement pertinente, les matériaux renforcés étant idéaux pour moules et outillage de bras robotiques.

En termes de technologies, l'impression 3D à fibres continues offre le plus grand champ d'applications potentielles (vs FDM ou SLS), bien qu'encore naissante et moins utilisée que les techniques à fibres courtes.