Faire progresser l'impression 3D : Fabrication de composites renforcés de fibres continues

En 2016 et 2017, Continuous Composites a construit une cellule de fabrication robotique avec contrôle de mouvement accru et volume de construction. Comme pour toute impression 3D, le logiciel génère le code pour le mouvement machine. Cependant, comme la génération de chemin d'outil est très différente en CF3D, Continuous Composites développe son propre logiciel. « Les solutions sur étagère ne marchent pas pour la génération de chemin d'outil fibre continue car nous ne sommes plus limités à l'empilement de tranches 2D », explique Alvarado. Le logiciel CF3D automatise aussi les UV pour la polymérisation de la résine, la coupe du filament d'impression quand nécessaire et le contrôle de la pression de compactage.

« La nouvelle tête d'impression que nous avons développée est bien plus active », dit Alvarado. « Notre nouvel effecteur final a un tensionnement adaptatif et un contrôle dynamique de la livraison de résine. »

Alvarado dit que CF3D peut imprimer 16 torons de large en utilisant du toron carbone 12K et résine époxy. Il a produit des échantillons 3 couches d'épaisseur avec moins de 1 % de porosité et une résistance tensile moyenne de 111 ksi. Ces tests mécaniques étaient faits dans le cadre d'un projet 2017 pour un contractant du Département de la Défense US. « Nous continuons à améliorer et nous attendons à dépasser 200 ksi bientôt », affirme Alvarado. « Nous avons aussi complété les tests feu, fumée et toxicité (FST) pour applications intérieures aérospatiales », ajoute-t-il.

Structures sensibles

La technologie CF3D facilite l'impression de structures composites multifonctionnelles. Par exemple : fil de cuivre continu peut être imprimé pour alimenter l'électronique, fil nichrome continu peut être imprimé pour intégrer du chauffage pour applications anti-givrage ou fibre optique continue peut être imprimée pour surveillance structurelle en temps réel (SHM) et optimisation de performance d'une structure composite.

Continuous Composites a imprimé le profil aérodynamique démo ci-dessus en 2017 incluant :

• Continues treillis de support en fibre de verre imprimés sans support du haut vers le bas du profil.
• Fil de cuivre continu alimentant LEDs sur le bord d'attaque.
• Fil nichrome pour anti-givrage sur le bord d'attaque.
• Fibre optique sur l'extrados qui peut collecter des données.

En nov 2017, Continuous Composites, Form Forge (Portland, OR, US) et AutoDesk ont collaboré pour produire un gouvernail composite sensible dans le cadre de l'expo « Making Waves » avec Livrea Yacht (Palerme, Italie) à la conférence annuelle AutoDesk University.

Le gouvernail faisait environ 1,35 m de haut, imprimé avec 20 % de ABS renforcé fibre de carbone hachée (acrylonitrile butadiène styrène) thermoplastique pour la coque ou peau, et fibre de verre continue pour les treillis de support structurels. L'équipe a aussi imprimé des fibres optiques avancées dans le gouvernail.

Le gouvernail fini était exposé sur le stand à AutoDesk U. « Nous avons laissé le public le toucher, et les capteurs du gouvernail ont collecté 5 Gigaoctets de données sur 2 jours, suivant température, accélération et changements de contrainte », raconte Alvarado. « En intégrant cette fonctionnalité, nous pouvons collecter et analyser la performance de la structure pour surveillance de santé en temps réel et optimisation de performance. »

Réfléchissez un instant : le gouvernail et les foils de votre yacht de course peuvent maintenant renvoyer des données réelles dans votre analyse de dynamique des fluides computationnelle (CFD) et logiciel de design pour optimiser intelligemment le design de la structure individuelle et la performance globale du bateau. Et, bien sûr, le gouvernail et les foils pourraient être des structures aéronautiques ou automobiles.

« Nous voulions démontrer notre capacité à combiner la technologie CF3D avec matériaux multiples et modes multiples de fabrication additive en une cellule », dit Alvarado. Il note que la flexibilité d'ajuster les résines thermodurcissables a aussi été démontrée en modifiant la résine utilisée avec la fibre continue pour adhérer au fibre hachée/ABS.

L'avenir de la fabrication

Continuous Composites est audacieux dans sa vision future pour CF3D. Il voit la technologie comme permettant la fabrication locale et une résurgence de la fabrication américaine, mais aussi un chemin vers des processus de production plus durables. « Notre technologie résout beaucoup de problèmes des méthodes traditionnelles de fabrication composite », dit Alvarado. « Nous avons automatisé le placement de fibre dans toutes les directions, ouvrant les possibilités de design tout en éliminant le besoin de moules coûteux, autoclaves et fours. » Il ajoute qu'en supprimant ces contraintes, CF3D peut combiner plusieurs composants en une seule pièce imprimée et y intégrer de la fonctionnalité, le tout en un seul process de fabrication. « Notre technologie est une nouvelle méthode de fabrication émergente qui va disrupter de nombreuses industries. »

Alvarado dit que Continuous Composites travaille avec une variété d'entreprises pour développer un écosystème technologique incluant OEMs, fournisseurs de machines, intégrateurs robotiques, fournisseurs de matériaux et entreprises logicielles. « Nous avons 7 brevets délivrés avec 76 demandes de brevet non-provisionnelles en instance et 11 provisionnelles additionnelles en instance, couvrant plus de 250 concepts brevetés et brevet en instance. Nous continuons à développer notre technologie et cherchons à déployer notre technologie auprès d'entreprises de tous secteurs, incluant aérospatial, automobile, défense, construction, etc. »