Impression 3D de matériaux composites :un guide d'introduction

La fabrication additive peut être utilisée avec une large gamme de matériaux, des thermoplastiques hautes performances comme le PEEK aux métaux prêts pour l'aérospatiale comme le titane.

Parfois, cependant, les ingénieurs souhaitent 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 tels que FDM et SLS (ainsi que dans de nouvelles technologies), les matériaux composites contiennent généralement un matériau thermoplastique de base et un élément de renfort comme la fibre de carbone. Le rapport entre les deux éléments peut varier, tout comme la méthode d'intégration du matériau de renforcement.

Alors que les technologies d'impression 3D continuent de s'améliorer, l'utilisation de composites imprimables en 3D se généralise. Et leur utilisation ne se limite pas non plus à l'industrie :alors que certains composites (poudres SLS, par exemple) s'adressent principalement aux utilisateurs industriels , d'autres (comme les thermoplastiques renforcés de fibres coupées) peuvent être utilisés dans des imprimantes 3D FDM de prix moyen pour les consommateurs et les professionnels .

Cet article sert de guide d'introduction à l'impression 3D de matériaux composites. Il examine certains matériaux composites et technologies d'impression composites populaires, explique la différence entre les composites à fibres coupées et à fibres continues, et examine les principales applications et avantages des composites d'impression 3D.

Que sont les matériaux d'impression 3D composites ?

En termes simples, un matériau composite est un matériau composé de deux matériaux différents ou plus . Markforged, spécialiste de l'impression 3D composite, définit les composites comme étant "constitués de plusieurs matériaux qui, lorsqu'ils sont combinés, ont des propriétés différentes de leurs matériaux d'origine".

Des exemples de composites en dehors de l'impression 3D incluent le contreplaqué (couches de différents placages de bois) et le béton armé (béton renforcé par des barres d'acier).

Dans l'impression 3D, les composites sont généralement une combinaison d'un thermoplastique matériau de base (une matrice) et un renforcement élément tel que fibre de carbone, fibre de verre, graphène, ou kevlar . (Notez qu'un mélange de deux thermoplastiques, tel que PLA + ABS, est généralement appelé un mélange , pas un composite.) Les matériaux de base peuvent être pratiquement n'importe quoi, mais les utilisateurs industriels utilisent généralement des thermoplastiques de qualité supérieure qui ont de bonnes caractéristiques matérielles même sans éléments de renforcement ; ces plastiques incluent le PC, le nylon et le PEEK.

Les composites peuvent prendre différentes formes de matériaux, les plus courantes étant les poudres mélangées pour le frittage sélectif par laser (SLS) et filaments mixtes pour la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) . Moins courants mais particulièrement excitants sont les composites constitués d'un matériau de base combiné à des fibres continues qui, grâce à de nouveaux procédés, peuvent être enfilés ou tissés dans des matrices thermoplastiques pendant leur impression. De tels procédés nécessitent typiquement deux buses :une pour déposer le thermoplastique, et une pour distribuer les fibres continues. Enfin, il existe également un nombre limité de résines composites pour la photopolymérisation en cuve procédés d'impression 3D comme la stéréolithographie (SLA); avec cette technologie, les matériaux de base en résine thermodurcissable peuvent être durcis autour d'un squelette de fibre de renforcement.

Matériaux d'impression 3D composites populaires

Qu'ils soient en poudre, en filament ou sous une autre forme, les matériaux d'impression 3D composites sont généralement développés pour leur haute résistance , haute rigidité , bonne stabilité dimensionnelle , et un bon rapport résistance/poids rapport. Les fibres sont exceptionnellement légères et peuvent considérablement améliorer la résistance d'un thermoplastique sans augmenter sa masse. Les composites techniques imprimés en 3D peuvent même être utilisés comme substitut du métal.

Les thermoplastiques de base pour les composites d'impression 3D FDM vont des polymères de base comme le PLA et ABS à l'extrémité la moins chère de l'échelle, aux polymères hautes performances comme le PEEK à la fin de la prime. Nylon est le principal matériau utilisé pour les poudres composites SLS (car c'est le principal matériau utilisé dans le frittage laser en général), mais des matériaux hautes performances comme le PAEK peut également être utilisé.

Lorsque l'on regarde les composites dans leur ensemble (y compris en dehors de l'impression 3D), la fibre de verre est le matériau de renforcement le plus populaire - et on le trouve également largement dans les composites d'impression 3D. Dans la fabrication additive, cependant, les fibres de carbone sont beaucoup plus largement utilisés que le verre, car l'impression 3D composite est utilisée pour de nombreuses applications critiques où la résistance supérieure du carbone vaut la dépense supplémentaire. D'autres matériaux de renforcement incluent le Kevlar et le graphène.

Matériaux de base

• Polyamide/nylon (PA) : 
• Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
• Acide polylactique (PLA)
• Polycarbonate (PC)
• Polyétherimide (PE)
• Sulfure de polyphénylène (PPS)
• Polyéther éther cétone (PEEK)
• Polyaryléthercétone (PAEK)

Renforts

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

Des exemples de matériaux composites de marque sur le marché incluent EOS PA 640-GSL , une poudre de nylon SLS PA 12 renforcée de billes de verre et de fibres de carbone ; CarbonX PETG+CF de 3DXTech , un filament PETG FDM renforcé de fibre de carbone hachée; et Onyx de Markforged , un matériau de base en nylon rempli de fibre de carbone qui peut également être renforcé avec des fibres continues à l'aide de la technologie d'impression composite exclusive de Markforged.

Procédés d'impression 3D pour matériaux composites

À quelques exceptions près, les principales technologies d'impression 3D pour l'impression 3D composite sont la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), le frittage sélectif par laser (SLS) et les nouvelles technologies d'impression à fibre continue.

FDM

Le FDM est le procédé d'impression 3D le plus largement utilisé pour les pièces en plastique, et de nombreuses machines à prix moyen sont capables de traiter des matériaux composites comme l'ABS renforcé de fibres de carbone. Les matériaux composites pour FDM sont constitués d'un matériau de base thermoplastique et (généralement) de fibres coupées et discontinues. Ces fibres peuvent renforcer et rigidifier les pièces imprimées, mais en plus grandes quantités, elles peuvent également rendre le filament plus difficile à imprimer et avoir un impact négatif sur la qualité de la surface.

SLS

Le SLS est un autre procédé d'impression 3D plastique adapté à la production de pièces composites. En raison du coût et de la complexité des systèmes SLS, cette technologie est principalement utilisée par les utilisateurs industriels. Les matériaux sont un mélange de poudres thermoplastiques (souvent du nylon) et d'éléments de renforcement comme des fibres coupées ou des billes de verre. Notez que les poudres SLS composites ne sont pas universelles ; les fabricants de matériel comme EOS fabriquent des machines dédiées à l'impression composite.

Nouveaux procédés de fibre continue

L'un des domaines les plus avant-gardistes de la fabrication additive est l'impression de composites à fibres continues - un concept expliqué dans la section suivante. Des entreprises comme Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs et Anisoprint ont toutes développé du matériel de fabrication additive composite capable d'intégrer des fibres continues dans des pièces thermoplastiques lors de l'impression, généralement en alimentant des fibres continues dans chaque couche individuelle à l'aide d'une buse séparée.

Fibres hachées vs composites à fibres continues

Les matériaux d'impression 3D composites avec fibres de renforcement peuvent être divisés en deux catégories distinctes :les composites à fibres coupées et les composites à fibres continues. Ainsi, alors que deux composites différents peuvent contenir exactement les mêmes matériaux constitutifs, ils peuvent avoir des performances très différentes selon qu'ils ont des fibres coupées ou continues.

• Fibres hachées sont de minuscules brins de matériau de renforcement comme le carbone ou le Kevlar. Mesure généralement moins d'un millimètre de longueur, ces brins peuvent être facilement mélangés dans une matrice thermoplastique (PLA, ABS, etc.), conférant au plastique ordinaire une résistance et une rigidité accrues. Les fibres coupées sont incroyablement utiles car elles sont hautement polyvalentes :ils peuvent être mélangés avec une grande variété de thermoplastiques, et les composites résultants peuvent être imprimés sur des imprimantes 3D ordinaires. Cependant, lorsque des fibres coupées sont mélangées dans un matériau de base, chaque fibre individuelle prend une orientation aléatoire , ce qui rend le matériau moins résistant qu'un matériau à fibres continues.
• Fibres continues , en revanche, sont plus longs, unidirectionnels brins de matériau de renforcement qui, lorsqu'ils sont intégrés dans une matrice thermoplastique, offrent une résistance largement supérieure à celle des fibres coupées. En effet, un toron peut absorber et répartir les charges sur toute sa longueur, de sorte qu'une longueur continue plus longue a une plus grande capacité de charge qu'un petit brin coupé. Ce n'est qu'au cours des cinq dernières années environ que l'impression 3D composite à fibres continues s'est généralisée, plusieurs fabricants développant leurs propres technologies. Inutile de dire que l'impression composite à fibres continues est plus chère que l'impression composite à fibres coupées, car un matériel dédié est nécessaire.

Applications des matériaux composites

Les matériaux composites ont de nombreuses utilisations dans de nombreux secteurs et les applications couvrent les prototypes , pièces d'utilisation finale , et outillage .

Les secteurs qui utilisent la fabrication additive et les composites d'impression 3D incluent l'aérospatiale, l'automobile, l'électronique, les biens de consommation, le médical, etindustriel . La plupart de ces industries utilisent l'impression 3D composite pour fabriquer des pièces très rigides à petite échelle (bien que certains matériels d'extrusion grand format soient capables d'imprimer des composites).

L'outillage - à petite ou grande échelle - est une application particulièrement pertinente pour l'impression 3D composite, car les matériaux renforcés sont idéaux pour les moules et l'outillage en bout de bras.

En termes de technologies particulières, l'impression 3D à fibre continue offre le plus grand champ d'applications potentielles (par rapport au FDM ou au SLS), bien qu'elle en soit encore à ses balbutiements et qu'elle ne soit pas aussi largement utilisée que les techniques d'impression 3D à fibre coupée.