Pionnier de l'impression 3D composite anisotrope pour fabrication additive avancée

Fondée en 2014 par le PDG Fedor Antonov, Anisoprint (Esch-sur-Alzette, Luxembourg) est l'une des entreprises technologiques croissantes faisant avancer l'impression 3D de composites avec fibres continues. Elle préfère toutefois être connue comme pionnière du déplacement de la fabrication additive (AM) loin des métaux vers les composites.

« Les propriétés directionnelles des composites sont un avantage, pas un inconvénient », dit Antonov. « Les composites carbone unidirectionnels sont plus résistants et plus légers que les métaux. La fabrication conventionnelle et l'AM à base de métaux considèrent l'anisotropie directionnelle des composites comme un inconvénient à atténuer. Mais l'approche d'Anisoprint exploite cette anisotropie, orientant et plaçant les fibres pour répondre précisément aux charges structurelles, réduisant significativement le poids des pièces tout en conservant haute résistance et rigidité. »

Permettre des composites plus efficaces

Antonov souligne que la fabrication composite conventionnelle a typiquement utilisé des pratiques de l'industrie métallique, incluant stratifiés quasi-isotropes, perçage de trous et fixations mécaniques. « Ces pratiques annulent les avantages poids et performance des composites », dit Antonov. « La technologie d'anisoprinting fournit une méthode de production bien plus rapide et flexible, automatisée. » Elle offre aussi un moyen d'atteindre les structures plus efficaces maintenant produites par les logiciels d'optimisation topologique et conception générative.

« Les structures les plus efficaces de la nature, comme les arbres et les os, exploitent les propriétés directionnelles, orientant le matériau porteur principalement le long des chemins de charge », affirme Antonov. Cependant, ces types de structures optimisées topologiquement sont difficiles à produire. Par exemple, les structures en treillis qui ont permis des adaptateurs de coiffe de charge légers et résistants pour vaisseaux spatiaux, sont typiquement produits par enroulement filamentaire. Cependant, une version optimisée topologiquement, offrant 30 % d'économie de poids supplémentaire, n'est plus facile à produire avec les procédés composites conventionnels, ni avec le placement de fibres automatisé (AFP) plus récent.

« Les structures anisogrid conventionnelles enroulées filamentairement sont obtenues grâce à des rainures dans l'outillage, et un taux de fibre bas dans les nervures permet de les croiser », dit Antonov. « Ce type de structures anisogrid ne marche pas avec l'AFP car votre taux de fibre est toujours constant, et croiser les nervures sans couper les fibres ou variations d'épaisseur locales n'est pas possible. »

(Note : Pour plus d'étude, voir https://www.researchgate.net/publication/321081593_Anisogrid_Payload_Adaptor_Structure_for_Vega_Launcher)

Orientation de fibres (Fiber steering)

L'orientation de fibres est une technique appliquée à la production composite via AFP qui permet de déposer les fibres en chemins curvilignes — l'AFP utilise traditionnellement des chemins linéaires droits. L'orientation de fibres permet d'optimiser le chemin de fibre, et donc la réponse mécanique du panneau composite, pour exhiber une performance plus élevée qu'avec des stratifiés conventionnels. Dans un exemple, cette approche produit un panneau substrat composite pour panneau solaire de vaisseau spatial avec une première fréquence naturelle 44 % plus élevée (minimise amplitude vibrations et permet amortissement plus rapide) qu'un panneau équivalent conventionnel avec chemins de fibres droits et même masse. Alternativement, un panneau plus léger pourrait être obtenu pour la même performance fréquentielle.

L'orientation de fibres permet la conception et fabrication de pièces comme panneaux structuraux pour satellites ou composants machines haute vitesse avec performance très élevée. C'est un processus répétable, atteignant qualité haute et constante et permettant designs innovants. Peut aussi réduire le poids pour même design géométrique. SOURCE | « Fibre-Steering technology for advanced composite panels » (lien original donné mais plus dispo via esa-tec server: https://www.esa-tec.eu/space-technologies/from-space/fibre-steering-technology-for-advanced-composite-panels/)

« L'anisoprinting est une combinaison de structures en treillis et d'orientation de fibres utilisée pour obtenir des pièces optimisées topologiquement », dit Antonov. « C'est une technologie clé pour composites imprimés. Par exemple, comment construire un panneau de fuselage pour avion commercial qui a des découpes ou trous ? »

Il donne trois techniques différentes, utilisées pour produire des échantillons composites de même épaisseur et poids, chacun avec trous usinés CNC (voir tableau ci-dessous). Il note qu'en essai de compression, l'échantillon fait avec orientation de fibres a une charge ultime de compression deux fois celle d'un composite quasi-isotrope (« aluminium noir ») et 30 % supérieure vs un stratifié UD rigidité constante. « Ainsi, l'orientation de fibres est un outil puissant », dit Antonov. « L'anisoprinting évoluera vers l'orientation de fibres AFP quand on augmentera le taux de fibre et la productivité, et l'AFP évoluera vers nous avec plus de flexibilité. »

La « flexibilité » à laquelle Antonov fait référence est une mesure de combien il est possible de placer une fibre le long de n'importe quel chemin dans l'espace tridimensionnel. Arevo, une autre entreprise commercialisant l'impression 3D fibre continue, prétend avoir ce type de flexibilité. « La technologie d'Arevo n'est pas très différente comparée aux entreprises AFP comme Coriolis, Automated Dynamics, Electroimpact, etc. », dit Antonov. « Ils l'ont simplement miniaturisée et au lieu d'utiliser un ruban fin et large, ils utilisent un ruban épais et étroit avec tête AFP laser. C'est tout pareil. » Notez que la technologie d'impression 3D d'Arevo est basée robot dès le début. Comment la technologie d'Anisoprint changera-t-elle en passant aux plateformes robotiques ?

Exemple d'échantillon composite imprimé 3D Anisoprint utilisant orientation de fibres.

Histoire d'Anisoprint et approche TS-TP

Antonov et ses co-fondateurs (Andrey Azarov, Alexey Khaziev, Mikhail Golubev et Zafer Gürdal) étaient à une nouvelle université dans l'ouest de Moscou appelée Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech), établie en 2011. En 2014, Antonov travaillait à construire le nouveau centre de technologie composites de Skoltech et a commencé à développer l'impression 3D. Le directeur du centre composites à l'époque était Zafer Gürdal, qui est parti en 2015, retournant au McNair Center à l'Université de Caroline du Sud. Ce dernier est maintenant connu pour sa R&D en composites et impression 3D fibre continue.

« On a décidé de faire spin-off de Skoltech quand Zafer Gürdal est parti », explique Antonov. « On avait développé une tête d'impression CFC prototype à l'été 2015. Notre prochain but était de développer une imprimante de bureau. »

Anisoprint a introduit son imprimante de bureau Composer en 2017. Similaire aux imprimantes fibre continue Markforged, le Composer d'Anisoprint utilise deux buses d'impression : une pour le renforcement fibre continue et une pour la matrice plastique. Logées dans une chambre d'impression en verre, le plateau d'impression en verre du Composer peut être chauffé jusqu'à 120 °C, ce qui permet de minimiser les effets de retrait. Actuellement disponible en deux tailles :

• A3 (420 x 297 x 210 mm)
• A4 (297 x 210 x 147 mm)

Avec diamètre de buse standard de 0,4 mm, la vitesse d'impression du Composer est citée à 10-80 mm/s sans renforcement et 1-20 mm/s avec renforcement fibre continue. Anisoprint peut extruder beaucoup de plastiques incluant PLA, PETG, ABS, nylon et PC. Il peut les renforcer avec ses matériaux fibre de carbone composite (CCF) et a récemment lancé un matériau fibre de basalte composite (CBF) d'impression.

Cependant, Anisoprint est très différent des autres technologies d'impression 3D fibre continue car il imprègne d'abord le renforcement fibre continue avec un polymère thermoset puis extrude ceci dans le filament thermoplastique fondu pendant l'impression. « Cette approche à deux matrices assure faible porosité, bonne adhérence fibre-polymère et excellentes propriétés mécaniques », affirme Antonov.

Il continue : « L'inventeur de l'anisogrid enroulé filamentaire pour l'adaptateur de charge utile du lanceur Proton M, V.V. Vasiliev, qui est dans notre conseil consultatif, a en fait montré que cette idée d'utiliser des matériaux thermoset-thermoplastique (TS-TP) à double matrice a des avantages sur l'utilisation d'une seule matrice thermoset ou thermoplastique. Les matériaux matrice thermoset ont des problèmes de fragilité, donc la matrice commence à fissurer bien avant que la fibre ne casse. Vasiliev a prouvé qu'il pouvait atténuer cela avec l'approche double matrice. »

Le thermoset qu'Anisoprint utilise est un époxy multi-composants et les stratifiés imprimés finaux ont un taux de fibre jusqu'à 45 % selon les essais de l'Université Technique de Munich (TUM).

Les offres brevetées d'Anisoprint incluent :

Technologie Composite Fiber Co-extrusion (CFC) pour fabrication additive utilisant polymères thermoplastiques renforcés fibres continues (ex: carbone, basalte) consolidés et durcis en un procédé automatisé, single-stage, ne nécessitant ni outillage ni post-traitement.

Logiciel de tranchage Aura qui prépare modèles 3D pour fabrication pièces utilisant imprimante CFC Composer ainsi que imprimantes FFF conventionnelles.

Imprimante de bureau Composer disponible en trois tailles (A4, A3, A2).

PROM famille de systèmes d'impression industriels avec options robot et portique, commercialement disponibles à partir de 2020.

Développement robot vs bureau

« Le robot a une tête d'impression différente car vous devez bouger la tête pour atteindre les espaces contraints pendant l'impression », explique Antonov. « Dans un plan 2D, ce n'est pas un problème. Mais dans l'espace 3D, vous devez mettre de la fibre où il y a déjà de la structure. L'accessibilité idéale est atteinte avec une aiguille. Donc, on a besoin d'un compromis, une tête d'impression plus aiguille-like. »

Il note d'autres différences, comme contrôles industriels. « Les imprimantes de bureau sont basées sur électronique grand public, comme Arduino. Mais pour systèmes robotiques plus grands, il faut contrôle de mouvement industriel et interfaces et toutes sortes d'assurance qualité in-situ, comme mesure laser, que Markforged a sur leur grande machine. Il faut aussi modifier capteurs et contrôles chauffage/refroidissement. » Il ajoute que tout cela prend temps et ressources, et que leur priorité ces deux dernières années était de développer la machine de bureau, mais maintenant ils travaillent sur les systèmes robotiques aussi. »

Logiciel : Aura

Antonov décrit le logiciel d'Anisoprint comme flexible, permettant débutants et utilisateurs avancés. « Le logiciel est facile à utiliser, mais il est important que les labos R&D aient la capacité de changer les paramètres d'impression », explique-t-il. En effet, les clients incluent l'institut de recherche MFPA (Weimar, Allemagne), Brightlands Materials Center (Geleen, Pays-Bas) et Université Technique de Munich ainsi que fabricants incluant Schunk Carbon Technology, Airbus et BMW.

Anisoprint a imprimé 3D des pièces microsatellites composites avec jusqu'à 45 % réduction poids vs métaux légers.

Partenariats pour solutions continues

Anisoprint, qui se targue d'être une plateforme matériaux ouverte, cherche aussi à développer plus de partenariats pour nouveaux matériaux et pièces d'impression. En juin, elle a annoncé un accord avec Thought3D (Malte) pour utiliser ses adhésifs Magigoo. Ceux-ci collent la première couche d'impression au plateau, évitant le décollement de pièce. « La mauvaise adhérence première couche est un des problèmes les plus communs qui peut ruiner pièces imprimées, et pas nécessairement au début de la construction », explique Antonov. « C'est surtout important pour notre système matériaux ouvert, où le client peut choisir parmi différents types de thermoplastiques. Chacun nécessite différents paramètres d'impression et c'est pourquoi on a introduit plusieurs réglages première couche dans notre logiciel de tranchage Aura. C'est aussi pourquoi on inclura des bâtonnets Magigoo dans chaque boîte Composer pour assurer que nos clients aient une solution en main pour bonne adhérence première couche. »

Applications de l'anisoprinting

Anisoprint dit que sa technologie s'applique à de nombreux domaines, de l'aérospatiale aux produits de consommation et santé. Un exemple est un support de siège d'avion supportant 1,5 tonnes de charge avec 40 % réduction poids vs aluminium. Avec 100 tels dispositifs dans un avion monocouloir moyen, cette réduction de poids peut s'additionner en économies significatives de carburant et coûts opérationnels globaux.

Support de siège avion imprimé 3D composite Anisoprint atteint 40 % économie poids vs aluminium.

Un autre cas est un piston pour former pots de yaourt, utilisé dans une ligne production laitière. De tels pistons sont typiquement en polyamide fraisé, mais les remplacer quand endommagés prend trois mois, avec la ligne arrêtée pendant la durée. La pièce imprimée par une imprimante Composer Anisoprint a rapporté une durée de vie plus longue et réduit l'arrêt de ligne de 3 mois à 24 heures.

Anisoprint a répondu aux exigences d'un composant ligne laitière avec son piston composite imprimé 3D mais avec temps de remplacement drastiquement réduit.

« L'anisoprinting permet la conception et production de structures composites optimales par co-extrusion fibre composite », dit Antonov. « Polymères thermoplastiques renforcés fibres continues, consolidés et durcis dans un processus single-stage entièrement automatisé, sans post-traitement requis. Résultat : pièces plusieurs fois plus résistantes, légères et bon marché que métaux et plastiques traditionnels et supérieures aussi aux composites conventionnels. »