Composites 3D imprimés ultra-haute teneur fibre : 60 % fibres & <1 % vides

« Notre objectif principal est de produire des composites structurels à fibres continues pour l'industrie », déclare Giovanni Cavolina, co-fondateur de 9T Labs (Zurich, Suisse). « Si vous parlez aux gens qui fabriquent des pièces PRFC (polymère renforcé fibre de carbone), la plupart ne croient pas qu'il soit possible d'atteindre une teneur en vides super-faible ou une bonne résistance au cisaillement interlaminaire (ILSS) entre couches avec l'impression 3D à fibres continues. » 9T Labs a cependant développé un post-procédé breveté qui élimine les vides. « Nous pouvons maintenant imprimer en 3D des composites à fibres continues avec une excellente adhérence entre couches et teneur en vides sous 1 %, ce qui rivalise avec les composites fabriqués conventionnellement. »

Débuts à l'ETH Zurich

9T Labs a démarré avec un projet de recherche au Laboratory of Composite Materials and Adaptive Structures (CMAS) à l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich). Cavolina et les co-fondateurs Martin Eichenhofer et Chester Houwink avaient développé une tête d'impression composites, « que nous avons montée sur un bras robotique et fabriqué des cœurs treillis pour structures sandwich ultra-légères, ciblées pour applications aérospatiales », explique Cavolina.

CarbonKit était un produit en édition limitée permettant aux imprimantes FDM standard d'utiliser fibre de carbone continue mais n'était pas encore la bonne solution pour produire des pièces structurelles PRFC industrielles compétitives en coût. SOURCE : 9T Labs.

CarbonKit

Ainsi, 9T Labs a été créée début 2018 pour prouver le concept d'impression 3D de stratifiés PRFC monolithiques répondant aux exigences clients potentiels. « Notre étape suivante était le CarbonKit », dit Cavolina. Ce produit figure dans l'article de CW de mars 2019 « L'impression 3D à fibres continues passe en production ». Le CarbonKit transforme les imprimantes 3D Ultimaker ou Prusa en système capable d'imprimer avec fibre de carbone continue. « Il permet d'utiliser vos imprimantes existantes avec notre tête d'impression, filaments et logiciel pour placer fibres continues selon le cas de charge, avec 50 % de teneur en volume fibre de carbone — pas 30 %, qui a été la norme en impression 3D PRFC », ajoute-t-il.

Cavolina explique que malgré un grand intérêt, « nous n'avons fourni que 25 clients. Nous avons gardé ce produit limité car nous avons réalisé qu'avec un procédé FDM [modélisation par dépôt fondu] en une seule étape, il n'est pas possible d'obtenir des pièces structurelles finales pour applications aérospatiales industrielles qui soient aussi compétitives en coût que les technologies actuelles. »

Cependant, grâce au CarbonKit, 9T Labs a établi de précieuses relations clients. « Nous avons pu apprendre ce que les entreprises attendaient et nécessitaient, même si ces pièces n'étaient pas réellement possibles à produire avec le CarbonKit », explique-t-il. « La consolidation in-situ est bien possible avec FDM, mais nécessiterait des machines bien plus complexes et prohibitives en coût. Donc, nous avons produit un procédé 2 étapes avec post-consolidation à l'impression. »

Avec Red Series, 9T Labs a atteint des structures PRFC imprimées 3D avec >50 % volume fibres et <1 % vides à coût abordable vs méthodes production composites actuelles. SOURCE : 9T Labs.

Red Series, procédé 2 étapes

C'est là où 9T Labs en est aujourd'hui. « Nous commercialisons la Red Series, qui comprend deux unités : une unité d'impression FDM classique avec tête d'impression brevetée et une unité Fusion adjacente pour post-traitement », explique Cavolina. « Nous n'atteignons pas de consolidation in-situ complète pendant l'impression, mais imprimons puis consolidons dans un second procédé. En substance, nous imprimons un préforme qui est placé dans l'unité Fusion pour post-consolidation à haute température et pression pour atteindre plus de 50 % teneur volume fibres avec moins de 1 % vides. Ce procédé 2 étapes atteint la qualité aérospatiale à coût abordable. »

La Red Series utilise des matériaux thermoplastiques, pour l'instant. « Nous imprimons fibre de carbone avec PEI, PEKK, PA (nylon) et avons de l'expérience avec PP aussi », dit Cavolina. La Red Series est-elle un système matériaux ouvert ? « La seule façon d'être compétitif en coût est d'utiliser des matériaux existants avec un nouveau procédé de fabrication », explique-t-il. « Si vous sortez votre propre matériau de zéro, vous excluez la fabrication en série. Pour sécurité et fiabilité chaîne d'approvisionnement, les fabricants en série ne compteront pas sur une petite entreprise pour leurs matériaux. Donc, nous laissons nos clients utiliser leur approvisionnement matériaux existant, en nous assurant que les matériaux fonctionnent dans notre système. » Il explique que 9T Labs teste les matériaux pour s'assurer que la matière première remplit certains critères et détermine les meilleurs paramètres d'impression.

Et pour le logiciel ouvert ? « Notre logiciel d'impression est combiné avec un logiciel de simulation structurelle », dit Cavolina. « C'est génial comme ingénieur de placer fibres où nécessaire mais comment être sûr que c'est bien là qu'elles doivent l'être ? Notre logiciel donne la liberté de concevoir puis vérifier par simulation structurelle. L'autre sens est de définir un placage orienté fibres en simulation structurelle puis le convertir en chemin d'impression dans notre logiciel. Nous utilisons un partenaire FEA existant, bien éprouvé, qui tourne en arrière-plan. Vous pouvez aussi concevoir directement une pièce en CAD et télécharger ce fichier dans notre programme. Là, vous décidez où vous voulez la fibre de carbone et où le polymère pur suffit. »

Ce bracket PRFC et bras de culbuteur pour applications non-aérospatiales répondent en fait aux exigences stratifiés aérospatiaux et comportent plus de 40 plis — chaque pli avec une orientation fibre différente pour exploiter l'anisotropie et optimiser pièces structurelles pas possibles auparavant. SOURCE : 9T Labs.

Applications

9T Labs vise l'aérospatial (intérieurs pour l'instant), biomédical et automatisation industrielle (ex: machines emballage), ainsi que loisir/luxe (ex: sport auto, chaussures sport, lunettes). Ce dernier marché, dit Cavolina, « est où vous avez besoin de composites structurels, mais les exigences sont moins strictes qu'en aérospatial. » Il cite le bras de culbuteur ci-dessus. « C'est un bracket pour structure non-aérospatiale qui représente une application structurelle qu'on peut produire de façon optimisée avec notre technologie », explique-t-il. « Il vient d'une pièce alu optimisée topologiquement pour économiser poids en orientant fibres carbone selon cas de charge. On économise coût car on réduit quantité fibre carbone vs autres procédés composites. On ne peut pas le faire par d'autres moyens car impossible avec autres méthodes d'orienter chaque fibre comme nécessaire en haute résolution. »

Quatre layups différents en fibre de carbone continue sont alternés sur l'épaisseur du bracket PRFC imprimé avec Red Series 9T Labs. SOURCE : 9T Labs.

Cavolina note que ce bras de culbuteur comprend plus de 40 couches fibres et polymère, « et nous pouvons avoir une orientation fibre différente dans chaque couche. Nous avons essayé quatre layups différents, pas restreints au quasi-isotrope. Cette liberté nous permet d'exploiter l'anisotropie des composites pour optimiser davantage la structure finale. Ce ne serait pas possible avec les méthodes de fabrication actuelles. »

Il souligne aussi que l'impression 3D PRFC est un procédé automatisé vs stratification manuelle. « Notre technologie réduit drastiquement la main-d'œuvre manuelle via stratification automatisée », dit Cavolina. « Avec notre technologie, vous imprimez, consolidez et c'est fini. »

La Red Series imprime des préformes PRFC monolithiques complexes plus petites qui sont ensuite consolidées en seconde étape pour production série industrielle scalable. SOURCE : 9T Labs.

Taille impression Red Series, vitesse et lancement complet

La Red Series vise des pièces monolithiques plus petites pour fabrication en série dans une zone d'impression de 350 x 300 mm. « C'est là qu'on voit actuellement la plus haute valeur ajoutée pour nos clients », explique Cavolina.

Quelle vitesse d'impression ? « On parle très concrètement de produire dans les 1-2 prochaines années 4 000 à 8 000 pièces par an pour différents clients, atteintes avec les unités jumelles Red Series », dit Cavolina. « Parce qu'on a découplé la production de préformes complexes détaillées de la consolidation, il est maintenant possible d'augmenter rapidement le volume de production. »

« Nous avons passé beaucoup de temps à analyser la structure de coûts de notre procédé, incluant équipement, main-d'œuvre et coûts matériaux », répond-il. « Nous avons une structure de coûts équipement abordable et avons automatisé le préformage. Nous utilisons les matériaux les plus abordables et efficaces, puis réduisons la quantité matière requise en orientant fibres selon cas de charge et optimisation structurelle. Nous travaillons étroitement avec nos partenaires en simulation structurelle et procédé et voyons que cela continuera de croître comme grande partie de l'objectif production utilisant technologie jumeau numérique pour permettre plug-and-play avec lignes et cellules production 4.0. »

La Red Series sera lancée en 2020. « Maintenant, nous l'évaluons via nos programmes de collaboration avec partenaires de production. Nous certifions pièces et procédés avec eux, donc ils ont réservé les premiers créneaux pour machines Red Series et les utiliseront pour fabriquer leurs produits finis. »