CAMX 2018 : Avancées majeures dans l'impression 3D thermodurcissable

Impression 3D thermodurcissable

CW a largement rapporté sur l'impression 3D composites utilisant résines thermoplastiques. Mais sur l'année écoulée, nous avons vu une croissance de l'impression avec résines thermodurcissables (et fibres continues, voir blogs mai 2018 et sept 2018). Cette tendance semble prête pour une croissance supplémentaire, avec l'Impression Thermodurcissable Grande Échelle affichée par Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dans les zones CAMX et ACE awards. Développée en partenariat avec Magnum Venus Products (MVP), le système d'impression thermodurcissable grande échelle appelé THERMOBOT a un volume de construction de 16 x 8 x 3,4 ft. En utilisant des polymères réactifs qui se réticulent entièrement entre couches, la technologie THERMOBOT prétend produire des pièces imprimées plus résistantes vs celles avec couches thermoplastiques partiellement fondues. Le coût de la matière première est aussi estimé 50 % inférieur. Tous les essais à ce jour ont utilisé des systèmes vinylester de Polynt-Reichhold, basés sur son Accord de R&D Corporate (CRADA) avec ORNL.

Une stratégie pour la technologie THERMOBOT (voir images ci-dessus) est de produire des structures légères mais hautement porteuses en imprimant des structures alvéolaires cellulaires à densité variable qui peuvent être adaptées par application. Le résultat est une impression plus rapide de structures plus résistantes qui consomment moins de matière, temps, énergie et coût vs approches actuelles. Cela peut aussi offrir le moyen le plus rentable à ce jour pour réaliser des structures alvéolaires adaptées à la charge, une approche de design bionique introduite par Evolutionary Light Structure Engineering (ELiSE, voir blog 2016). MVP poursuit un plan de commercialisation et accueille les demandes.

Moulages imprimés 3D itèrent encore

Polynt-Reichhold, en partenariat avec Cincinnati Inc. et TruDesign (Knoxville, TN, USA), a présenté une nouvelle avancée dans les moules composites imprimés 3D. L'avancée affichée au CAMX était l'impression de moules non pas avec une sous-structure solide, mais avec un cœur type treillis, ce qui réduit temps d'impression, matière et coût. La surface réelle du moule est obtenue en pulvérisant le treillis imprimé 3D avec TD Coat RT, un revêtement haute épaisseur température ambiante dans lequel les dimensions et détails finaux sont usinés. Ce revêtement est appliqué avec équipement de pulvérisation MVP et est commercialement disponible chez TruDesign. Notamment, il lie la surface thermodurcissable au substrat imprimé thermoplastique, scelle la surface pour l'intégrité du vide et gère aussi la différence significative de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre les directions machine et z de l'imprimé composite – typiquement un ABS renforcé 20 % fibre de carbone. Sinon, les changements de température peuvent causer des changements dans la surface du moule. Les segments de moule affichés ont été imprimés par AES (Akron, OH, USA) utilisant une machine BAAM Cincinnati Inc.

L&L propose structures pultrudées pour l'automobile

L&L Products, Inc. a lancé ses pultrusions Continuous Composite Systems (CCS) utilisant résine polyuréthane. Visant applications automobiles comme longerons latéraux et structures de crash, elles remplacent les structures métalliques traditionnelles nécessitant des cloisons pour la rigidité nécessaire, offrant légèreté – 75 % moins de masse que l'acier et 30 % moins que l'aluminium – à un prix économique. Profils fibres continues incluent CCS Set fibre de verre, CCS Hybrid mélange personnalisé verre/carbone et CCS Extreme fibre de carbone seulement. Ces composites peuvent aussi être combinés avec les adhésifs bien connus de L&L dans leur traitement continu, réduisant davantage coûts de fabrication et délais. Noter que les adhésifs L&L sont aussi utilisés pour atténuer les problèmes bruit, vibration et dureté (NVH). Au-delà de l'automobile, produits CCS visent aussi longerons pales éoliennes, applications industrielles et architecturales.

L&L a aussi présenté leurs produits d'étanchéité à rétention de couple TRI-seal pour carrosseries automobiles multi-matériaux. Matériau d'étanchéité expansible est augmenté de sphères d'alumine (Al₂O₃, oxyde d'aluminium), qui soutient la force de serrage pour la rétention de couple tout en fournissant isolation entre matériaux dissemblables pour prévenir corrosion galvanique et étanchéité contre eau, air et poussière, le tout en même temps. Soit thermocollés pour applications sèches soit adhésifs pour applications pression, produits TRI-seal peuvent être utilisés aux interfaces matériaux dissemblables, attaches boulonnées/rivetées et charnières portière/capot/hayon.

Owens Corning produit filaments d'impression 3D

Les filaments d'impression 3D XSTRAND ont été développés en utilisant les fibres de verre hachées de l'entreprise et polymère polyamide 6 (PA6 nylon) ou polypropylène (PP). Pourquoi fibre de verre ? « Elle imprime mieux, avec meilleure finition et meilleures propriétés vs fibre de carbone hachée car nous avons ingénieré une meilleure solution comprenant un traitement de fibre optimisé pour chaque type de polymère », explique Jay Yang, expert produit Owens Corning. Il note que développement produit significatif et sélection matériaux étaient requis pour développer un système optimisé polymère, fibres et traitement. « Ce n'est pas trivial et a requis beaucoup de travail R&D pendant deux ans. » Yang dit que plus de variantes produit sont en pipeline, incluant filaments utilisant polymères plus haute température et plus spécialisés.

Résine polyester Tg > 250 °C

ATSP Innovations (Champaign, IL, USA) est une start-up de l'Université d'Illinois à Urbana-Champaign qui a développé des résines polyester thermodurcissables aromatiques (ATSP) Estherm. Cette nouvelle classe rapportée de copolyestères offre une performance supérieure à un polyester typique ou résine époxy mouillage humide moyen :

Résistance à la traction 95 MPa | Module de traction 4,2 GPa | Module de compression 4,9 GPa | Résistance à la compression 304 MPa

Pourtant elle affiche aussi une capacité température plus élevée (Tg > 250 °C) vs polyesters et vinylesters, qui maxent à 140 °C et 160 °C respectivement, et époxy qui atteignent la température de service max avant 200 °C. ATSP Innovations rapporte que les composites faits avec Estherm permettent structures portantes jusqu'à Tg de 285 °C. Cela est plus en ligne avec systèmes résine phénolique (148-260 °C), bismaleimide (200-282 °C) ou polyimide (260-316 °C). L'entreprise revendique encore d'autres avantages : très faible absorption humidité, stabilité oxydative, usinabilité facile (peu de poussière), faible inflammabilité sans charges (indice oxygène limite 40 %, supérieur au phénolique) et recyclabilité akin aux thermoplastiques.

En fait, similaire à l'adhésif époxy reformable L&L Products LF610, quand ce copolyester aromatique thermodurcissable est formulé en adhésif (marque Self-Bond), il permet collage et décollage, chacun par chaleur et pression, répétable 50 fois sans perte de résistance. ATSP Innovations explique que c'est possible grâce à un processus de liaison à l'état solide appelé réaction de transestérification interchaînes. Estherm et Self-Bond sont reportedly des solutions drop-in, adaptables aux besoins clients spécifiques et disponibles en formes multiples. ATSP Innovations a publié des recherches sur le traitement des matériaux en composites et mousses, ainsi que revêtements tribologiques et cryogéniques. Les matériaux sont en développement depuis 2011 et ATSP Innovations a récemment reçu un Phase II follow-on de son projet Phase I SBIR sponsorisé NASA « Concept d'adhésion réversible pour assemblage spatial ».

IoT pour durcissement sous vide

Ruiz Aerospace (Laval, QC, Canada) a développé le TERVIA Hub, embarquant capteurs et connectivité internet, qui permet la collecte de données depuis ports vide connectés au hub et l'échange de ces données via wifi téléphone, tablette ou PC. Les sondes collectent pression atmosphérique, vide, température et humidité sous le sac vide et communiquent ces données pendant le durcissement vers le Cloud via le TERVIA Hub. Le système peut lancer des tests automatisés de taux de fuite sur outillages et configurations sac vide. Il affiche et enregistre aussi les paramètres de fabrication tout au long du durcissement. Le système peut aussi afficher l'avancement du durcissement vs une recette temps/température programmée et envoyer alarmes SMS/email quand paramètres de durcissement atteints ou température seuil atteinte. Il agit essentiellement comme un système hot bonder sans le mécanisme d'application de chaleur. Cependant, à moins de 1 000 USD pour le hub, 99 USD pour trois sondes vide et abonnement mensuel 39 USD pour licence logicielle avancée (options gratuites et plus chères personnalisables aussi), le coût total tout compris est bien plus abordable.

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