L'évolution des composites additifs

En octobre 2020, CW a rendu compte de l'impression 3D de composites avec fibre continue et a fourni un paysage des technologies en cours de développement, ainsi qu'une classification des procédés utilisés. Ce dernier a été contribué par Alexander Matschinski, chercheur associé et expert pour la fabrication additive à la TU Munich et la chaire des composites de carbone (Lehrstuhl für Carbon Composites, ou LCC, Munich, Allemagne).

CW fait à nouveau équipe avec LCC, mais cette fois pour examiner le paysage plus large de la fabrication de composites additifs (ACM), en particulier les processus en cours de développement à l'interface entre les composites conventionnels et la fabrication additive (AM). « Nous voyons de plus en plus de technologies qui sortent de nos classifications pour l'impression 3D à fibre continue, mais combinent plutôt la fabrication automatisée de composites avec la FA et proposent de nouvelles solutions qui n'étaient pas possibles jusqu'à présent », note Thomas Wettemann, chercheur au LCC.

Le LCC lui-même brouille les frontières entre les processus traditionnels et l'impression 3D en combinant le placement automatisé des fibres (AFP) et l'enroulement filamentaire (FW) avec l'ACM basé sur l'extrusion (voir «Futur fabrication de composites - AFP et fabrication additive»). « Nous passons également de l'extrusion traditionnelle de thermoplastiques à l'impression 3D avec des thermosets en adaptant les technologies que nous avons développées pour le moulage par transfert de résine [RTM] et en les combinant avec les ultrasons », explique le Dr Swen Zaremba, directeur adjoint du LCC. Simultanément, LCC travaille à l'élaboration de normes pour l'ACM et à l'amélioration de ses matériaux et processus.

Notez qu'il existe un paysage ACM encore plus large qui comprend des filaments remplis de fibres coupées extrudés à l'aide de la modélisation par dépôt par fusion (FDM), des matériaux de fibres en poudre traités à l'aide d'un frittage laser sélectif (SLS) et des pièces hautement personnalisées utilisant des charges à orientation magnétique et un traitement numérique de la lumière. (DLP), ce dernier développé par Fortify (Boston, Mass., US). Ces procédés produisent en effet des pièces composites et ouvrent de nouveaux marchés et applications, mais cette discussion restera dans le domaine du renforcement des fibres continues.

Qu'est-ce qu'ACM ?

«Nous avons généralement cette discussion en premier, ainsi que la motivation pour développer ces nouvelles technologies», explique Zaremba. Comme expliqué par Wettemann dans une présentation SAMPE de janvier 2019, la motivation est une production rentable au-delà de la production de masse - y compris un lot de taille unique - qui préserve également les ressources, minimise ou élimine les déchets et est respectueuse de l'environnement et du climat. « Il offre également un moyen de rendre la chaîne de traitement des composites entièrement numérique », ajoute-t-il. « C'est le premier pas sur la voie de décennies de changement. »

Les éléments clés de la définition de LCC de l'ACM incluent :

• Longues chaînes de processus réduites à un « traitement dans une boîte » en un seul point
• Consolidation/polymérisation globale remplacée par un traitement local des matériaux et un traitement thermique récurrent
• Production sans outils

« ACM concentre ce qui était auparavant de longues chaînes de traitement en un point plus ou moins unique, une sorte de fabrication à l'intérieur d'une boîte », explique Zaremba. Ainsi, ajoute Matschinski, "vous traitez les matériaux et donnez sa forme à la pièce à l'intérieur de cette boîte et sans outil de moulage". Tous deux conviennent que la « boîte » peut être une très grande cellule ACM, par exemple, la cellule SCRAM dévoilée par Electroimpact (Mukilteo, Wash., États-Unis) en 2020. « ACM peut également être utilisé en dehors d'une seule boîte », explique Zaremba, « par exemple, notre travail pour ajouter un renforcement local et des fonctionnalités plus petites à des pièces AFP plus grandes. »

Cependant, note Wettemann, "nous voyons maintenant des exemples de l'ensemble de la chaîne de traitement des composites contenus dans une ligne ou une cellule automatisée, mais ce n'est pas ce que nous définirions comme ACM." La cellule SCRAM, en revanche, a la capacité de traiter le matériau et de donner forme sans outils en combinant une tête AFP thermoplastique à consolidation in-situ (ISC) avec une tête d'impression 3D à fabrication de filaments fusionnés [FFF, un autre terme pour FDM]. "Pour nous, cette consolidation in situ à l'aide de l'AFP était en effet le début de l'ACM au LCC, car vous créez les composites durcis/consolidés lorsque vous effectuez le placement ou le drapage", explique Zaremba.

Cela nous amène au deuxième point clé de la définition de l'ACM par le LCC. « Auparavant, vous aviez toujours une étape de consolidation globale et idéalement le même traitement de matériau et le même historique sur toute la pièce lorsqu'elle était moulée dans un autoclave, un four, un outil chauffant ou une presse », explique Zaremba. « Avec ACM, nous effectuons ce traitement thermique et cette consolidation sur une base locale au fur et à mesure que nous construisons la pièce. »

Wettemann souligne qu'ISC offrait un point d'entrée de la fabrication automatisée de composites dans le monde de la FA, « mais cela présente également de réels défis pour les matériaux et le traitement car ce traitement local des matériaux est également un traitement thermique récurrent. Notez qu'au début, nous adaptions simplement des matériaux de moulage par injection pour l'impression 3D. Mais ensuite, nous avons reconnu qu'il n'est pas vraiment optimisé pour l'impression FFF. Ainsi, les entreprises ont commencé à modifier les matériaux de leurs systèmes d'impression afin de faire face au chauffage et au refroidissement récurrents des résines, ainsi qu'à la vitesse requise et à la nécessité de faire adhérer les couches entre elles et d'éviter le gauchissement. C'est aussi la raison pour laquelle de plus en plus d'entreprises cherchent à inclure des fibres continues. »

Cependant, l'intégration de fibres continues crée également des problèmes. « C'est l'une des raisons pour lesquelles nous avons été attirés par ACM », explique Zaremba. « Les processus d'impression 3D promettaient beaucoup de résultats, mais les résultats n'ont pas fourni le type de qualité que nous attendons pour les applications structurelles ou aérospatiales, par exemple. Nous pourrions voir un écart entre les composites avancés utilisant des fibres continues et ce que les technologies AM peuvent offrir. LCC vise à rapprocher ces mondes et à réaliser le potentiel promis, mais aussi à combiner les technologies pour aboutir à de nouvelles solutions. »

Fusion de deux mondes

LCC voit de nombreuses nouvelles solutions, par exemple, le procédé de moulage additif développé par Arris Composites (Berkeley, Californie, États-Unis) et la cellule Fusion Bonding pour l'impression 3D développée par 9T Labs (Zurich, Suisse), qui sont tous deux hautement performants. processus de volume. "Aucun de ces processus ne donne la forme finale de la pièce à l'intérieur du processus additif, mais utilisez un type de moule et une deuxième étape dans ce moule", explique Matschinski. « Donc, cela n'est pas conforme à notre définition de l'ACM. Cependant, les deux présentent des solutions intéressantes combinant la fabrication traditionnelle de composites et les technologies de FA. »

« 9T Labs utilise certainement des imprimantes 3D », note Wettemann, « mais pour créer une préforme qui est ensuite traitée dans un processus de formage numérisé pour créer des composants composites thermoplastiques légers qui sont complètement nouveaux et s'adressent à des marchés qui ne pouvaient pas utiliser la technologie des composites auparavant. " Ici, il fait référence à l'objectif de 9T Labs de remplacer les métaux dans les pièces où le moulage par injection ne peut pas fournir suffisamment de performances. « Chez LCC, nous avons également recherché comment introduire des fibres sans fin dans le moulage par injection, mais il est assez difficile de faire un positionnement précis des fibres sans fin dans le processus d'injection. En revanche, la technologie de 9T Labs offre ce qui semble être une méthode de fabrication facile à mettre en œuvre pour des pièces hautes performances.

Arris Composites a une approche différente mais atteint un objectif quelque peu similaire, tout en visant des volumes de pièces d'un ordre de grandeur supérieur. « Nous permettons non seulement la production en grand volume de pièces en fibre continue, mais nous ajoutons également une multifonctionnalité qui débloque la consolidation dynamique des pièces », déclare Riley Reese, co-fondateur et CTO d'Arris Composites. "Par exemple, nous avons transformé un assemblage de 17 composants en une seule pièce tout en augmentant la résistance et en ajoutant des propriétés telles que la transparence radio. Nous sommes compétitifs avec le moulage par compression - par exemple, SMC [sheet moulage compound] - mais avec les performances de fibres continues."

ACM direct vs indirect

Pour en revenir à la définition de LCC de l'ACM, le troisième élément clé reconnaît le débat entre la fabrication avec et sans outil de moulage. « Direct les approches sont là où la forme finale vient de l'impression - je n'ai jamais d'outil », explique Wettemann. « L'avantage est de s'affranchir totalement de la fabrication d'outils. Tant qu'on a des moules, alors on parle d'indirect processus, ou nous parlons de fabrication de composites plus conventionnelle, qui est ensuite aidée par les technologies FA. »

Wettemann note que de telles approches hybrides aident à traiter des facteurs tels que la consolidation et l'outillage qui augmentent le coût et le temps de fabrication des composites traditionnels. « Nous avons vu des développements par le Digital Manufacturing and Design Center de l'Université de technologie de Singapour et par Mikrosam [Prilep, Macédoine] de 2015 à 2017, où des robots automatisés ont été développés pour produire des pièces composites avancées dans un processus de type AFP mais sans outillage", a-t-il déclaré. explique. « Donc, cela se dirige vers l'ACM dans la mesure où les deux approches ont réussi à fabriquer numériquement dans l'espace libre sans outil, mais des développements supplémentaires sont encore nécessaires. Réduire le besoin d'outillage est essentiel car cela nous donne également de nouvelles possibilités pour la fabrication de composants composites et le type de composants pouvant être fabriqués. Par exemple, les chemins de charge très organiques générés par les logiciels d'optimisation de la topologie et de conception générative poursuivent en effet l'efficacité des structures biologiques comme les os et les arbres, mais ils sont très difficiles à fabriquer avec des fibres continues.

Développements futurs au LCC

« Dans la fabrication directe de pièces, nous constatons la même chose que vous montrez dans votre paysage, que les lignes se brouillent et nous passons à une approche de fabrication beaucoup plus hybride », explique Patrick Consul, chercheur au LCC (voir « Impression 3D CFRP moules pour RTM flaperon, exosquelettes et plus »). Plus tôt cette année, son équipe a terminé les premiers essais d'une approche hybride combinant l'extrusion de matériaux et le dépôt d'énergie dirigée [DED] à l'aide d'un prototype de machine laser pour imprimer sur des stratifiés préconsolidés et de très grandes impressions 3D sans chambre chauffée. « Nous travaillons également sur la combinaison de l'ACM avec le fraisage et l'AFP, qui sont de très bons ajustements car ils reposent tous sur des parcours d'outils compliqués », dit-il. "La transition entre eux devient assez simple et vous n'avez pas besoin de beaucoup de formation supplémentaire." Ainsi, la chaîne de processus est raccourcie, numérisée et simplifiée.

LCC pousse également l'approche hybride en combinant les technologies développées pour la RTM et l'impression 3D. « Le résultat est similaire au durcissement à la volée, mais nous voulions nous éloigner des résines à durcissement UV car elles sont un peu trop chères lorsque vous voulez construire des pièces plus grandes », explique Zaremba. "Au lieu de cela, nous utilisons une nouvelle technique de mélange par ultrasons que nous avons développée pour RTM et l'adaptons maintenant pour une utilisation dans une extrudeuse typique avec des époxydes peu coûteux et à durcissement rapide qui ont été développés pour l'industrie automobile."

Matschinski explique plus en détail cette technologie :« Nous utilisons la vibration ultrasonique pour mélanger et durcir la résine époxy presque instantanément lorsque nous déposons la fibre imprégnée pendant l'impression. » En quoi est-ce différent des ultrasons utilisés par le DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems à Braunschweig, en Allemagne (voir « Réduire le coût des matériaux d'impression 3D à fibre continue ») ? Matschinski explique :« Le DLR utilise la vibration ultrasonore pour améliorer l'infiltration d'une matrice thermoplastique dans les fibres étalées afin de créer des filaments d'imprimante 3D continus renforcés de fibres, qui sont ensuite imprimés à l'aide d'une extrusion de matériau conventionnelle. Nous utilisons des ultrasons pour durcir un filament thermodurcissable continu renforcé de fibres. »

« Des organisations telles qu'Arris Composites, 9T Labs et nos équipes ici à LCC, par exemple, sont intéressantes car elles ont des racines et des employés issus à la fois du monde des composites et du monde de la FA », explique Wettemann. «Ils se réunissent pour créer de nouvelles technologies qui peuvent nous aider maintenant à nous éloigner d'une future économie potentiellement limitée en ressources et en croissance, aux prises avec la crise climatique. Ils fournissent un chemin vers les solutions nécessaires. »