Réduire les coûts de l'impression 3D à fibres continues : innovations et stratégies

L'Institut des structures composites et systèmes adaptatifs du DLR (Brunswick, Allemagne) est une institution de recherche de premier plan dans la construction légère, poursuivant de nouvelles technologies dans quatre domaines stratégiques : de la conception à la certification, la numérisation et l'industrie 4.0, le recyclage et les structures composites additives. CW a rapporté plus tôt cette année sur le laboratoire d'innovation EmpowerAX de l'institut pour accélérer, renforcer et élargir le transfert de l'extrusion additive vers l'industrie pour les composites imprimés en 3D. L'institut mène également une série de projets de R&D incluant la simulation de l'extrusion additive, la modification de thermoplastiques pour une performance améliorée en impression 3D et la production de filaments d'imprimante avec fibres continues.

Ce dernier projet, intitulé ENDLOSEFFEKT (« effet sans fin »), est conçu pour améliorer la productibilité, la qualité et le coût des matériaux renforcés en fibres de longueur infinie. « La disponibilité de fils d'impression pré-imprégnés à fibres continues est limitée », explique Maik Titze, responsable de la fabrication additive à l'Institut des structures composites et systèmes adaptatifs du DLR à Brunswick. « Cette disponibilité limitée et la variété de matériaux utilisables, ainsi que les prix des matériaux, constituent un obstacle à l'application. Nous voulions concevoir une buse d'imprégnation pour que le même équipement utilisé pour produire des fils standards chargés en fibres coupées pour FDM [modélisation par dépôt de fil fondu] puisse aussi produire des fils renforcés en fibres continues. Cet équipement serait pour les entreprises qui fabriquent des fils d'imprimante 3D, dans le but de réduire le coût de l'impression 3D avec des matériaux renforcés en fibres continues. »

Actuellement, la plupart des fils d'imprimante 3D renforcés en fibres continues sont fabriqués par les mêmes entreprises qui vendent les machines d'impression à fibres continues, chaque matériau étant développé et optimisé pour un système d'impression particulier. Ces matériaux ont tendance à être assez coûteux.

« Notre idée est de commencer avec n'importe quelle taille de fibre sèche, par exemple 1K de fil de carbone jusqu'à 50K, et d'utiliser ensuite l'imprégnation par fusion directe depuis des granulés ou paillettes de thermoplastiques de base via extrusion car c'est très rentable », dit Titze. « Vous n'avez pas besoin de produire de la poudre polymère ou des feuilles, ni d'utiliser des presses coûteuses ou des centaines de rouleaux pour obtenir l'imprégnation de la fibre. Ainsi, le traitement devient beaucoup plus accessible et abordable. »

Au lieu de presses, bandes et rouleaux, le DLR a conçu un système utilisant les ultrasons. « Nous utilisons un sonotrode de 19,5 kilohertz qui dirige la vibration dans le thermoplastique fondu qui entoure la fibre », explique Titze. « Cela la matrice et le renfort à 19 500 fois par seconde, ce qui résulte en une très bonne imprégnation. »

Le chemin de processus commence par l'écartement et le chauffage de la fibre (Fig. 1). Ce renfort est ensuite introduit dans une chambre scellée dans laquelle le polymère fondu est injecté. Au fur et à mesure que la fibre traverse cette chambre, la résine fondue enrobe la fibre. « La fibre et le polymère passent ensuite dans une chambre à ultrasons, qui à 80 millimètres de longueur, est très petite et compacte », note Titze. « Les vibrations émises par le sonotrode le filament polymère renforcé de fibres, qui sort ensuite de la buse sous la forme que vous voulez. Par exemple, la buse peut être circulaire ou plate. »

Les micrographies de la Fig. 2 montrent du carbone 12K imprégné d'acide polylactique (PLA), de polyamide (PA) et de polyétherimide (PEI) à 50% de volume de fibres. Le volume de fibres est ajustable (30-50%) grâce à la conception de la buse de filière, dit Titze. « Nous pensons que jusqu'à 60% sera possible. Dans l'ensemble, plus de travail est nécessaire sur le processus, mais nous avons montré qu'il fonctionne avec de bons résultats initiaux et une vitesse de ligne de 5- millimètres/seconde. » Il concède que c'est lent et pas économique, mais une nouvelle conception d'équipement devait être testée en juin, visant déjà 3 mètres/minute.

« Typiquement, les vitesses seraient plus proches de 10 mètres/minute », dit Titze. « Cependant, la technologie vise aussi à permettre une production flexible de nouvelles combinaisons de matériaux, donc une vitesse légèrement plus basse pourrait aider à rendre les petites séries de production abordables. »

Le processus que le DLR a développé n'est pas sélectif envers un matériau - n'importe quelle fibre ou polymère peut être utilisé, dit Titze. « C'est important car les processus continuent de s'hybrider et de nouveaux matériaux sont nécessaires. Les matériaux pour l'impression 3D doivent devenir plus compétitifs, ou l'impression 3D à fibres continues n'aura pas un grand avenir. En utilisant des granulés ou paillettes de thermoplastiques, nous pouvons réduire significativement le coût et l'équipement tient dans un petit espace d'installation pour que même de petites entreprises puissent l'implémenter. »

L'Institut des structures composites et systèmes adaptatifs du DLR a commencé ce projet en octobre 2019 et le terminera en janvier 2022. « Notre objectif est de miniaturiser davantage la technologie et de l'intégrer dans une tête d'impression », dit Titze. « Donc, ce serait une imprégnation directe en ligne avec l'impression. Les deux approches seront transférées dans l'industrie. » Il explique qu'en tant qu'organisme gouvernemental à but non lucratif, le DLR ne « vendra » rien et donc droits exclusifs. « Notre but est d'impliquer les fournisseurs de têtes d'impression afin de faire baisser les prix des matériaux dans l'ensemble et d'élargir l'application industrielle de la fabrication additive à fibres continues. »