Desktop Metal lance une imprimante 3D de bureau à fibres continues pour ingénieurs

Le nouveau système d'impression 3D de bureau à fibres continues de Desktop Metal. Source : Desktop Metal

Desktop Metal (Burlington, Mass., États-Unis), une entreprise spécialisée dans l'impression 3D métal pour le développement de produits et la production de masse, a annoncé l'expansion de sa technologie vers la communauté des composites. Fondée en 2015 avec la mission de « rendre l'impression 3D accessible à tous les ingénieurs, concepteurs et fabricants », l'entreprise a depuis mis sur le marché deux technologies d'impression 3D : son Studio System d'impression 3D métal adapté aux bureaux et son Production System, imprimante 3D métal à haut volume capable de vitesses d'impression jusqu'à 12 000 cm³/h. Aujourd'hui, l'entreprise dévoile ce qu'elle présente comme la première véritable imprimante de bureau à fibres continues au monde.

« Nous étendons maintenant notre offre pour apporter l'impression 3D à fibres continues sur le bureau de chaque ingénieur et concepteur », déclare Ric Fulop, PDG et fondateur de Desktop Metal.

Les avancées récentes en fabrication additive ont vu son utilisation se généraliser pour le prototypage, ainsi que pour les gabarits, montages et outillages. Desktop Metal prévoit que la technologie connaîtra une croissance de 10 à 50 fois au cours de la prochaine décennie en tant que moyen de fabrication de pièces finales. L'entreprise a identifié une opportunité de marché pour apporter l'impression 3D à un secteur sous-desservi : l'automatisation de la fabrication de petites pièces composites. Pour lancer son entrée dans le secteur des composites, Desktop Metal a récemment acquis Make Composites Inc. (Boston, Mass., États-Unis), une startup fondée par Konstantine Fetfatsidis. Ce dernier a été nommé Jeune Professionnel de l'année 2019 par SAMPE et a précédemment dirigé la R&D en fabrication avancée chez Aurora Flight Sciences (Manassas, Va., États-Unis), une société de Boeing.

Fetfatsidis, désormais vice-président des produits composites chez Desktop Metal, explique son inspiration pour créer Make. « Basé sur mon expérience en R&D composites et en développement commercial aérostructures avec des clients, j'ai pu voir et travailler avec ce qui était accessible et les différentes technologies de fabrication disponibles, et j'ai été un peu frustré de constater que le drapage manuel reste l'état de l'art, particulièrement pour les petites pièces », dit-il.

Il argue que pour les petites pièces – moins de 9 kg – les fabricants s'appuient encore principalement sur le drapage manuel. De tels processus à forte intensité de main-d'œuvre nécessitent des techniciens, des outillages coûteux et beaucoup de temps, ce qui augmente le coût global de fabrication d'une pièce.

« Tout au long de ma carrière, il y a eu tant d'applications où nous aurions aimé utiliser la fibre de carbone – particulièrement chez Aurora en travaillant sur des concepts d'eVTOL – pour sa légèreté, sa rigidité et sa résistance, mais les coûts ne s'additionnaient pas », déclare Fetfatsidis. « Je me suis dit qu'il devait y avoir un meilleur moyen d'automatiser, de consolider le nombre d'étapes de processus impliquées dans la fabrication traditionnelle, de réduire l'outillage et les délais – tous les coûts associés. »

Si des tentatives ont été faites pour automatiser la fabrication de petites pièces composites, les propriétés atteignent rarement la qualité à laquelle les utilisateurs industriels sont habitués avec le drapage manuel, et certainement pas dans un processus de bureau. Dans la plupart de l'impression 3D composites actuelle, les résines ne sont souvent pas les mêmes que celles utilisées dans les processus traditionnels, et de nombreuses imprimantes utilisent des matériaux propriétaires qui n'offrent pas les mêmes hautes performances que les matériaux qualifiés, entraînant une non-uniformité et une variabilité de qualité. Les pièces résultantes ont généralement un taux de fibres plus faible et une porosité plus élevée que les pièces fabriquées à la main.

« Vraiment, il n'y a eu aucune solution de bout en bout pour faire cela au niveau bureau avec les matériaux que les gens ont l'habitude d'utiliser, jusqu'à maintenant », dit Fulop. « Nous combinons les avantages de l'impression 3D avec des matériaux à fibres continues qualifiés pour des applications haute performance. »

Gabarit CNC : En imprimant en 3D ce gabarit CNC comme un composite à fibres continues sur le système Fiber, la pièce peut être rendue extrêmement rigide, permettant de maintenir fermement les barillets de verrouillage en place pendant les opérations d'usinage. La bande de fibre de carbone peut être déposée sélectivement pour ajouter de la rigidité dans les sections du gabarit qui subissent les charges les plus élevées. Les gabarits d'usinage doivent souvent endurer des températures extrêmes et l'utilisation d'un PEEK renforcé en fibre de carbone assure la stabilité à haute température. En imprimant en 3D sur le nouveau système Fiber, les ingénieurs d'atelier pourront utiliser un design de gabarit optimisé qui aurait sinon été trop long et coûteux à usiner. Source : Desktop Metal

Basée sur des bandes

La nouvelle imprimante de bureau de Desktop Metal adopte la technologie de placement automatisé de fibres (AFP) pour produire des pièces composites thermoplastiques renforcées de fibres de haute qualité. La technologie exploite les mêmes lignes de fabrication que celles qui produisent les bandes préimprégnées commerciales, s'appuyant ainsi sur une chaîne d'approvisionnement existante et tirant parti de la croissance déjà en cours sur le marché des bandes unidirectionnelles (UD). En substance, la technologie prend l'AFP et la réduit à l'échelle d'une imprimante de bureau. En fait, l'entreprise a dérivé son nom de projet original du système Micro AFP Kinematic Extrusion (Make).

L'imprimante, que l'entreprise appelle Fiber, est conçue comme un système modulaire à changement d'outils pour une utilisation en environnement de bureau ou de production et est capable de fournir des gabarits, mors, outils et montages de qualité industrielle, ainsi que des pièces finales. L'opérateur peut utiliser une tête Micro AFP pour déposer le matériau, puis la ranger et passer à une tête de fabrication par filament fondu (FFF) selon les besoins.

« Pour la première fois, les imprimantes Fiber combinent les propriétés matériaux des matériaux AFP à fibres continues haute performance avec l'accessibilité et la vitesse d'une imprimante 3D de bureau », déclare Fulop.

La technologie utilise les mêmes bandes UD qualifiées pour des applications haute performance. Bien que l'imprimante soit capable de traiter des bandes UD avec une grande variété de systèmes de fibres et de matrices thermoplastiques, les matériaux disponibles initialement pour le système incluront du polyamide 6 (PA6) avec renforts en fibre de carbone et fibre de verre, ainsi que du polyetheretherketone (PEEK) et du polyetherketoneketone (PEKK) avec renfort en fibre de carbone. Les bandes, offertes dans un format de 3 millimètres de large, comportent généralement des fibres 12K et sont enroulées sur des bobines propriétaires. Un seul brin de 3 millimètres de large est alimenté dans la tête jusqu'à la zone de pincement, où un chauffe sans contact porte la température du thermoplastique au-dessus de sa température de fusion, et un rouleau de compactage applique une pression pour la consolidation du brin entrant sur le substrat en dessous. Un cutter dans la tête coupe la bande à la fin de chaque passe. Selon Fetfatsidis, les bandes offrent une solution de qualité supérieure mais plus de 10 fois moins chère au litre qu'une bobine de filament 1K utilisée dans certaines imprimantes 3D à extrusion à fibres continues. De plus, la qualité supérieure des bandes couplée à la capacité d'appliquer une pression sur la pièce via le processus AFP se traduit par une résistance plus élevée.

« Nous avons des bandes de très haute qualité utilisées dans les processus AFP/ATL qui ont un chargement en fibres très élevé – 60 % de fibre de carbone – et nous les associons à une matrice PEEK ou PEKK haute température », déclare Fetfatsidis.

Support de caméra. Le système Fiber permet de réaliser des pièces, comme ce support de caméra, plus rigides et plus légères que si elles étaient imprimées avec d'autres matériaux. Un temps d'impression rapide et de faibles coûts matériaux permettent au concepteur d'itérer rapidement sur le design pour atteindre une pièce optimale. Source : Desktop Metal

Les pièces créées avec le système Fiber sont dites plus résistantes que l'acier, plus légères que l'aluminium et peuvent être imprimées sur un bureau. Fiber offre un volume de construction de 320 x 240 x 270 millimètres (12,6 x 9,4 x 10,6 pouces). Les avantages incluent un renforcement en fibres continues à travers toute la pièce et une porosité très faible. Fetfatsidis affirme que les pièces créées avec des bandes PA6 peuvent avoir moins de 5 % de porosité et les bandes PEEK/PEKK peuvent produire des pièces avec moins de 1 % de porosité. L'opérateur a la capacité d'orienter les brins pour obtenir des formes complexes ou des conditions de charge particulières. Et comme les résines sont des thermoplastiques, le besoin d'une cuisson en autoclave est éliminé, tout comme le besoin de stocker le matériau au congélateur.

« C'est vraiment le premier produit dans le domaine de l'impression 3D qui combine fibre de carbone continue avec PEEK et PEKK dans un format de bureau », déclare Fulop.

Support de charge de gaine. Les supports de charge de gaine sont utilisés pour localiser des composants MIM (Metal Injection Molded) afin qu'un effecteur final robotique puisse saisir une pièce avant l'usinage de dimensions critiques. Ce gabarit subit une usure considérable car il est constamment mis en et hors du gabarit. L'impression 3D du support de charge de gaine sur le système Fiber permet aux ingénieurs d'atelier de réduire le délai de fabrication du gabarit de plusieurs semaines à quelques heures – tout en réduisant le coût de fabrication de 95 %. Source : Desktop Metal

Accessible à tous

Si la solution de Desktop Metal offre plusieurs avantages, notamment la capacité de créer des pièces finales et l'utilisation de thermoplastiques, sans doute l'un des aspects les plus excitants du système Fiber est son accessibilité financière. La plupart des systèmes utilisant des bandes thermoplastiques à fibres continues pour la fabrication automatisée de pièces composites sont des systèmes à plusieurs millions de dollars. Le système Fiber de Desktop Metal est disponible en deux modèles via un service d'abonnement. Le Fiber HT est conçu pour produire des pièces avec des composites continus avec <1 % de porosité et jusqu'à 60 % de chargement en fibres continues avec matrices avancées, incluant PEEK et PEKK. Il peut fabriquer des pièces ignifuges UL 94-V0 résistant à des températures jusqu'à 250 °C, ainsi que des pièces conformes ESD. Le modèle Fiber HT démarre à un prix d'introduction de 5 495 $ par an. Pendant ce temps, le Fiber LT démarre à 3 495 $ par an, offrant un moyen abordable de produire des pièces haute résistance conformes ESD, non marquantes, utilisant des fibres continues avec <5 % de porosité avec thermoplastiques PA6.

Effecteur final ESD. Les effecteurs finaux sont utilisés pendant le processus de fabrication de circuits imprimés (PCB). Cette pièce a été réalisée avec le PA6 renforcé en fibre de carbone anti-décharge électrostatique (ESD) du système Fiber, pour protéger les PCB des décharges électrostatiques dommageables tout au long du processus d'assemblage. Imprimée comme un composite à fibre de carbone continue, les effecteurs finaux sont extrêmement rigides, légers et capables de supporter la charge du processus d'assemblage du PCB. Source : Desktop Metal

« Nous voulons que les gens puissent acheter le système, l'avoir sur leur bureau à la maison ou au bureau et fabriquer des pièces PEEK avec fibres continues », déclare Fetfatsidis.

« Pour quelques milliers de dollars, vous pouvez commencer à fabriquer des pièces composites haute performance faites avec la même technologie de bandes utilisée maintenant dans des pièces fabriquées par AFP vraiment haut de gamme », ajoute Fulop.

Alors que le rôle de l'impression 3D dans la fabrication continue de croître, les concepteurs et ingénieurs ont besoin de solutions permettant à une large gamme de matériaux d'être accessibles. Le système Fiber est un grand pas en avant pour mettre les matériaux composites haute performance à la portée de quiconque souhaite profiter de la légèreté, de la résistance et de la rigidité qu'offrent les composites. Desktop Metal présentera son système d'impression 3D de bureau à fibres continues Fiber au salon Formnext 2019, exposition et conférence sur la fabrication additive, du 19 au 22 novembre à Francfort, Allemagne.