Débloquer le potentiel commercial des thermodurcissables UV-curables dans l'impression 3D à fibres continues

La technologie CF3D utilise des matériaux thermodurcissables à polymérisation instantanée pour réduire les coûts élevés, les longs délais et les contraintes de conception. Crédit photo : Continuous Composites

En septembre 2020, le spécialiste de l'impression 3D à fibres continues Continuous Composites (Coeur d'Alene, Idaho, États-Unis) a annoncé un partenariat stratégique avec l'entreprise de matériaux de spécialité Arkema (Colombes, France) via sa ligne d'activité Sartomer, pour combiner la technologie brevetée d'impression 3D à fibres continues (CF3D) de Continuous Composites avec les solutions de résines photocurables N3xtDimension d'Arkema. Cette combinaison devrait aboutir au développement, à la certification et à la commercialisation d'une bibliothèque de solutions de matériaux avancés pour répondre aux besoins d'une grande variété d'applications et d'industries.

Un partenariat né en 2015

Ce partenariat formel a émergé d'une relation qui a débuté en 2015, lorsque le Dr Sumeet Jain, directeur principal de l'impression 3D chez Arkema Worldwide, a découvert Continuous Composites et a vu une opportunité dans le processus d'impression que l'entreprise développait. Selon Tyler Alvarado, PDG de Continuous Composites, le partenariat était naturel : « Il [Jain] a vu l'opportunité de faire progresser les résines thermodurcissables photocurables, et nous avons vu qu'il avait des décennies d'expérience avec les polymères que nous utilisions. »

En 2019, les entreprises avaient un accord de développement conjoint, et au début 2020, Arkema a pris une participation au capital de Continuous Composites, avec le partenariat stratégique annoncé en septembre. « Nous sommes extrêmement enthousiastes à propos du partenariat et des résultats que les deux équipes ont pu atteindre. C'est l'un de ces cas où un plus un font trois, en tirant vraiment parti de leur expérience non seulement dans l'espace composites mais aussi dans les thermodurcissables photocurables », dit Alvarado.

Relier les résines photocurables à l'impression 3D à fibres continues

Aujourd'hui, le segment Matériaux Avancés d'Arkema a des branches couvrant de nombreux matériaux, y compris les thermodurcissables et thermoplastiques, et, dans les composites, de nombreux procédés et applications, y compris l'impression 3D ainsi que des procédés de fabrication plus traditionnels. La ligne d'activité Sartomer se concentre sur les acrylates et méthacrylates de spécialité pour une gamme de marchés, et fournit des matériaux UV-curables sous forme de revêtements, adhésifs et filaments d'impression 3D depuis des décennies, selon Jeffrey Klang, directeur R&D de Sartomer pour l'équipe mondiale d'impression 3D.

Pour compléter son système d'impression CF3D, qui est une technologie d'impression 3D scalable hors autoclave (OOA) basée sur l'utilisation de résines à polymérisation instantanée et de fibres continues (lire une description plus détaillée ici : « Impression 3D de composites à fibres continues »), Continuous Composites avait besoin d'un catalogue de résines répondant aux exigences mécaniques haute performance de clients dans des industries allant de l'aérospatial à l'énergie en passant par la défense. « Notre modèle commercial est de fournir des machines, et leurs logiciels et résines correspondants, pour permettre à ces clients de fabriquer quel que soit le composant qu'ils visent dans leur application industrielle spécifique », dit Alvarado.

Ce besoin de propriétés mécaniques élevées telles que les températures de transition vitreuse (Tg) et le feu, fumée et toxicité (FST) a conduit à se concentrer sur les résines thermodurcissables, bien qu'Alvarado note que la technologie CF3D peut également utiliser des thermoplastiques. « Notre compétence centrale est que nous prenons une fibre continue sèche, puis nous l'imprégnons avec une résine à polymérisation instantanée — dans ce cas, UV-curable — », dit-il. « Nous nous concentrons vraiment sur cette approche thermodurcissable à polymérisation instantanée qui permet à la structure composite de prendre forme directement en forme libre, nous permettant d'exploiter les propriétés anisotropes de la fibre continue, et de créer ces géométries organiques complexes qui sont extrêmement légères et très résistantes. Nous pouvons produire un stratifié composite de très haute qualité avec une teneur en fibres très élevée et une faible porosité. »

Les résines liquides N3xtDimension de Sartomer, partie de la plateforme 3D Printing Solutions by Arkema récemment lancée d'Arkema, en combinaison avec des fibres structurales allant de la fibre de carbone et de verre à Dyneema et aramides, se sont avérées un match idéal, et les entreprises travaillent maintenant au développement d'une bibliothèque de résines UV-curables répondant à une gamme d'exigences de propriétés mécaniques.

En plus des propriétés mécaniques des résines, l'élimination du besoin de polymérisation thermique sur les pièces finales permet deux des fonctionnalités les plus innovantes de CF3D : des vitesses d'impression rapides, et la capacité d'imprimer sans support en air libre. « Normalement, quand vous stratifiez un composite, vous devez avoir de l'outillage/moules pour soutenir la stratification », dit Alvarado, « mais parce que nous utilisons des thermodurcissables à polymérisation instantanée renforcés par un filament structural, nous sommes capables de durcir ce matériau et il peut prendre sa forme sans ce matériau de support. » Cela élimine le coût et le délai impliqués dans l'acquisition de moules et d'outillages, et supprime la contrainte de conception consistant à devoir concevoir autour de l'outillage. « Maintenant, vous pouvez orienter ces fibres dans de nombreuses directions... Avoir la capacité d'imprimer sans support permet des géométries de porte-à-faux vraiment uniques à franchir de larges espaces », dit-il.

De plus, CF3D « est une machine très stable... et imprime significativement plus vite que les machines thermoplastiques traditionnelles », dit Alvarado. Ces vitesses sont rendues possibles par l'élimination de problèmes tels que la gestion des gradients de température dans le stratifié et le gauchissement (grâce à l'utilisation de thermodurcissables plutôt que de thermoplastiques), et que le système n'est pas limité par un processus de chauffage (grâce à sa polymérisation par lumière UV).

Il y a deux variables pour la vitesse d'impression, ajoute-t-il : la polymérisation du matériau et la précision d'impression. « Le problème n'est pas les résines ; elles polymérisent dans les temps. La machine est le goulot d'étranglement », dit-il, notant que les robots comme plateforme de mouvement ont été conçus à l'origine pour des mouvements répétés de point A à point B de pick-and-place mais pas nécessairement pour la précision impliquée dans l'impression 3D. « Notre équipe a en fait développé sa propre intégration d'un contrôleur CNC comme contrôle de plateforme de mouvement sous-jacent pour notre système d'impression 3D, afin que nous puissions nous déplacer à travers les points avec précision et de manière répétée, ce qui nous permet d'augmenter drastiquement la vitesse à laquelle nous imprimons actuellement », dit-il. En utilisant le contrôleur CNC, sur l'année prochaine, Continuous Composites prévoit d'augmenter la vitesse d'impression du système jusqu'à trois fois.

Comme pour toute innovation, il y a eu des défis associés au transfert de la technologie de résine UV-curable de Sartomer vers des applications structurelles et à plus haute performance, selon Klang de Sartomer. Par exemple, un domaine d'attention a été l'augmentation de la résistance à la température. « Nous sommes proches de 230 °C », note-t-il, « ce qui nous place vraiment dans des types d'applications très intéressants. »

« Avec ce partenariat, nous travaillons depuis la base, pour changer la façon dont les composites sont fabriqués. Ce n'est pas trivial. Nous travaillons ensemble depuis quatre ans déjà, et nous ne faisons que commencer. » — Dr. Sumeet Jain, Arkema.