Révolutionner les composites : Fabrication à fibres continues avec MOI Composites

L'impression 3D et le dépôt de fibres continues gagnent en momentum. À mesure que le nombre d'entreprises utilisant et faisant progresser cette technologie augmente, elle façonnera indéniablement l'industrie des composites.

Premièrement, elle offre une fabrication sans moules ni outillage. Deuxièmement, elle permet des structures multifonctionnelles (conductivité électrique, changement de forme, détection). Troisièmement, elle ouvre la voie à un monde de fabrication hybride — par exemple, stratification sur impression 3D et fraisage pendant l'impression — ainsi qu'un paysage quasi infini de développement de matériaux, des fibres d'alliage à mémoire de forme Nitinol aux solutions nanocomposites conductrices pour le modelage par dépôt liquide (LDM). Ce dernier constitue un monde à part entière que j'aborderai dans un futur article.

Genèse de MOI Composites

MOI Composites a été fondée en février 2018 par l'ingénieure matériaux et professeure Marinella Levi, l'ingénieur designer Gabriele Natale et l'architecte Michele Tonizzo. En 2013, la professeure Levi a commencé à travailler sur l'impression 3D au Politecnico di Milano (Milan, Italie). En 2014, elle a créé le +LAB au département de Chimie, Matériaux et Génie chimique « Giulio Natta ». Sa vision : fusionner R&D, enseignement et innovation matériaux en rassemblant ingénieurs, designers, chercheurs et makers dans un hub collaboratif multidisciplinaire d'impression 3D.

2014 Premier outil pour l'impression 3D de composites thermodurcissables à fibres continues
2015 Brevet WO2017085649A1
2016 Partenariats avec Owens Corning et KUKA Robotics, projet et système d'impression Atropos
2017 Prix de l'innovation JEC, partenariat avec Autodesk, finaliste prix James Dyson, partenariat avec COMAU automation

« Nous avons créé MOI Composites pour produire des pièces commerciales et participer à des projets internationaux », explique Michele Tonizzo. « Nous avons découvert qu'il y a beaucoup de marché. Nous fabriquons des composants biomédicaux ainsi que des pièces pour le naval, l'oil & gas et l'aérospatial, principalement en fibre de verre. La technologie CFM permet de fabriquer des solutions uniques impossibles avec les méthodes traditionnelles. »

Gamme de résines et fibres

Atropos a démontré la capacité d'imprimer des polymères thermodurcissables renforcés fibres discontinues et continues, non seulement couche par couche, mais aussi le long de courbes non-linéaires. Il utilise la lumière ultraviolette (UV) pour polymériser les polymères en place. « Nous imprimons actuellement avec des résines époxy, acrylique et vinylester à polymérisation UV », explique Tonizzo. L'acrylique convient bien aux pièces architecturales car elle est transparente et ne nécessite pas de température pour la polymérisation/post-polymérisation. Le vinylester est utilisé pour le naval et l'époxy pour l'oil & gas et l'aérospatial.

« Pour certaines applications, la polymérisation UV n'est que la première étape, suivie d'une post-polymérisation par chauffage conventionnel », observe Tonizzo. « Nous ne sommes pas liés à la polymérisation UV. Nous avons imprimé avec des polymères non-UV et comprenons que pour des applications à hautes propriétés, nous aurons besoin d'autres options de matrice. » Pour référence, la température de transition vitreuse (Tg) de leur résine la plus utilisée, un vinylester, est d'environ 140 °C.

« Nous travaillons aussi avec la fibre de carbone mais pas avec des résines à polymérisation UV », précise Tonizzo. Il souligne que la transparence et la couleur de la fibre affectent la polymérisation UV. « Le problème avec le carbone est qu'il est opaque et noir. C'est la pire combinaison. Nous voulons développer la meilleure solution pour la fibre de carbone comme matériau, pas juste la technologie la plus facile qui fonctionne. Il y a beaucoup d'autres options de polymérisation que nous explorons. »

MOI Composites a imprimé de la fibre de verre continue jusqu'à 2400 tex et teste des fibres naturelles. L'entreprise a aussi imprimé avec de la fibre de basalte. « Nous imprimons très bien avec polymérisation UV et fibre de basalte car elle est en fait quelque peu transparente et plus brune que noire », explique Tonizzo.

Des fibres conductrices peuvent aussi être utilisées dans la technologie CFM. Elles peuvent être placées selon les besoins dans la structure imprimée. Un projet listé sur le site +LAB montre de la fibre Nitinol, un alliage à mémoire de forme. « On pourrait ainsi créer des structures à changement de forme », dit Tonizzo. « Par exemple, pour libérer les contraintes sur d'autres fibres, comme dans le béton précontraint. »

Impression 3D comme partie de la fabrication hybride

Atropos utilise un bras robotique Kuka avec un volume d'impression de 0,5 x 0,5 x 0,5 m hauteur. « Nous imprimons maintenant sur un robot Comau avec une enveloppe de 1,0 x 0,5 x 0,8 m hauteur, qui est le système de deuxième génération », dit Tonizzo. « Nous avons aussi utilisé des robots plus grands avec tables rotatives et volumes de construction de 1,5 x 1,5 x 1 m hauteur et démontré que notre technologie est facilement scalable. »

MOI développe aussi une tête d'impression tout-en-un de troisième génération avec système d'application de pression sur les fibres, capteurs, mécanismes de coupe et outil de fraisage. Tonizzo dit que cela comblera l'écart entre impression 3D et placement automatisé de fibres (AFP). « L'impression 3D n'atteint pas les performances de l'AFP, mais le CFM offre plus de flexibilité. Nous pouvons déjà imprimer avec des fibres de 0,25 mm d'épaisseur et avons la capacité de créer des courbes et placer des fibres continues en position idéale. »

« L'impression 3D doit être utilisée pour ce qu'elle fait le mieux », dit Tonizzo, « ce qui inclut l'optimisation du flux de travail. Par exemple, on peut imprimer un noyau interne avec contre-dépouilles et directions de fibres intelligentes. On utilise ensuite une stratification manuelle classique par-dessus et on polymérise en autoclave ou sous vide seulement. » Il décrit une pièce impossible à fabriquer conventionnellement avec un moule. « Nous avons imprimé le noyau interne, puis l'avons enveloppé de stratifié et polymérisé en autoclave à 110 °C et 2 bar pendant plusieurs heures. La pièce est sortie parfaite. » Cette pièce est soumise à un accord de non-divulgation, mais MOI a produit la prothèse SuPeRIOR de manière similaire, polymérisée non en autoclave mais sous vide seulement (VBO). « Tous les internes utilisent une seule fibre de verre continue », explique-t-il, « mais le stratifié extérieur est en tissu carbone posé main et résine époxy. » Toute la conception réduit la déflexion et augmente la personnalisation tout en réduisant significativement coûts et temps de production.

Logiciel d'optimisation basé sur les voxels

Tonizzo explique que le processus de conception combine l'algorithme basé sur les voxels d'Autodesk avec les algorithmes de MOI pour l'optimisation des contraintes et des trajectoires. Cela produit la trajectoire de fibres optimisée pour la structure. Le logiciel travaille aussi à choisir la trajectoire la plus manufacturable. « C'est un processus itératif », dit Tonizzo. « La conception n'est pas entièrement automatisée comme le design génératif. Il faut encore des ingénieurs pour faire des choix. Mais je pense que c'est comme ça que ça doit être — le designer et le logiciel combinés, pas juste l'IA seule. »

Avenir multi-matériaux, fort potentiel marché

Sur une image de la pale d'hélice imprimée par Atropos, on voit un motif quasi tissé en gros plan. « Ce n'est pas vraiment tissé mais ce sera possible bientôt », dit Tonizzo. Il me renvoie au projet « sine wave » sur le site +LAB. « Les démonstrateurs montrés sont imprimés 3D en plastique à fibres courtes avec le procédé LDM quand nous étions chercheurs au +LAB. Les algorithmes utilisés alors sont les mêmes que nous faisons progresser maintenant avec les fibres continues. »

Il est évident depuis le site +LAB que les innovations matériaux et possibilités pour ce type d'impression sont quasi infinies. La question est ce qui offrira le plus d'opportunités et de potentiel pour des solutions à forte demande. Pendant ce temps, les fournisseurs de matériaux soutiennent le développement continu. Par exemple, Owens Corning s'intéresse à démontrer la fibre de verre avec plus de matrices, comme les céramiques et le béton. C'est très intéressant pour la construction, avec un potentiel significatif vu les tendances actuelles pour la fabrication numérique, la construction éco-énergétique, les modules préfabriqués hors site et la durabilité améliorée via matériaux naturels et recyclés, tous insistant sur le léger. « Le département Giulio Natta du Politecnico di Milano participe à un projet UE pour l'impression de géopolymères qui se comportent comme du béton », ajoute Tonizzo. « Ils se polymérisent d'eux-mêmes avec le temps mais ont la consistance de l'argile pendant l'impression pour un meilleur flux. Nous continuerons certainement dans ce domaine, ainsi qu'avec de nouveaux polymères et fibres. »

Vendrez-vous des machines ? « Oui, mais dans le futur », dit Tonizzo. « Pour l'instant, nous produisons des pièces et apportons la technologie chez le client, en utilisant notre savoir-faire, notre tête d'impression et notre logiciel pour réaliser des solutions de pièces à la demande. » Il ajoute qu'après avoir travaillé l'an passé à améliorer la technologie avec les premiers adopteurs du CFM et démontrer le business case pour de nombreuses pièces dans différents marchés, MOI Composites cherche maintenant des investisseurs pour passer à l'échelle industrielle les machines et procédés CFM pour des opportunités commerciales.