Kevlar vs Fibre de carbone : Différences clés et performance des matériaux

Le Kevlar® et la fibre de carbone ont tous deux des histoires fascinantes qui illustrent l'exploration des matériaux et l'innovation. Chez Markforged, nous aimons explorer les matériaux et leurs combinaisons pour débloquer un nouveau potentiel et mener le développement de l'innovation dans l'industrie de la fabrication additive. Nous sommes le leader de l'impression 3D de brins continus de fibre avec notre procédé breveté CFF (Fabrication par Filament Continu), qui dépose des brins continus de fibre dans une pièce FFF Onyx pour renforcer efficacement des pièces plastiques avec une résistance métal. Cela augmente considérablement la durabilité et la durée de vie d'une pièce, et optimise son profil de résistance en ajoutant des fibres là où la résistance est le plus nécessaire.

Comprendre le Kevlar

Kevlar

À quoi pensez-vous en entendant le nom Kevlar ? La plupart pensent aux gilets pare-balles. Vous ne penseriez pas forcément DuPont™, mais ce matériau a été développé par DuPont™ en 1964 par la chimiste polono-américaine Stephanie Kwolek.

Saviez-vous que le Kevlar a de nombreux usages à travers les industries ? On le trouve dans des applications quotidiennes comme :

• Pneus pour voitures et vélos
• Plaques de poids
• Voiles et cordages
• Gants, chaussettes et bagages
• Bottes de travail
• Plaquettes de frein
• Équipements de protection
• Scellants

Le Kevlar est une fibre synthétique du groupe des fibres aramides, résistantes à la chaleur. Le Kevlar et le Nomex font partie de ce groupe. Les fibres synthétiques sont créées par extrusion de matériau formateur de fibre à travers des filières, formant la fibre.

Le Kevlar à haut module est utilisé principalement dans les câbles à fibres optiques, le traitement textile, les cordes, câbles, renforcement plastique et applications composites pour l'aérospatial, l'automobile, la défense, l'énergie, l'électronique grand public, le médical et l'industrie lourde. Le Commandement du Génie des Installations Navales a exploré les capacités des cordes en Kevlar pour l'ingénierie et la construction océaniques, aboutissant à des designs et applications innovants grâce à l'incroyable résistance à la traction et la flottabilité du Kevlar. La fibre de Kevlar a une résistance à la traction comparable à celle de la fibre de carbone, un module entre ceux du verre et du carbone, et une densité inférieure aux deux.

L'aramide Kevlar est utilisé pour les applications composites haute performance où légèreté, haute résistance et rigidité, résistance aux dommages, et résistance à la fatigue et à la rupture sous contrainte sont importantes. Markforged constate que le renforcement de l'Onyx, de l'Onyx FR et même du Nylon Blanc avec du Kevlar permet aux ingénieurs et concepteurs de pièces de créer des pièces extrêmement polyvalentes. Le Kevlar peut subir des changements significatifs dans des environnements à basse température, jusqu'à -196 °C (320 °F) et ne montrer ni fragilisation ni dégradation, et dans des environnements avec rayonnement électronique, car le rayonnement électronique n'est pas nocif pour le Kevlar. Cependant, le Kevlar est sensible aux UV (ultraviolets).

Les concepteurs peuvent développer des pièces sûres, fortes, rigides, légères et tolérantes à l'environnement, l'application et les conditions de charge en imprimant avec des fibres continues. En concevant des pièces avec le procédé CFF (Fabrication par Filament Continu), les concepteurs peuvent exploiter la résistance à la traction du Kevlar (étirement ou traction) qui est plus de huit fois supérieure à celle du fil d'acier.

Le renforcement par CFF permet à tout concepteur de construire des pièces composites avec une résistance métal, d'augmenter la durabilité (durée de vie) de la pièce et d'optimiser sa résistance là où elle est le plus nécessaire. Le Kevlar a aussi une très longue plage de déformation plastique et quand il casse, il le fait brin par brin et se plie ou s'effondre au lieu de se rompre net. Il a un mode de rupture bien plus prévisible et pardonnable comparé à d'autres fibres comme la fibre de carbone.

Propriétés uniques des fibres Kevlar :

• Très faible allongement
• Haute résistance à la traction
• Rapport résistance/poids très élevé
• Excellente résistance à la fatigue
• Bonne performance sur large plage de température
• Ne fond pas ; se décompose à 427-482 °C (800-900 °F)
• Faible fluage
• Pas de retrait
• Bonne stabilité chimique
• Hautement résistant à l'abrasion
• Faible résistance dans la direction transversale (faible en compression)
• Le mode de rupture le moins catastrophique de tous les filaments Markforged

Résistance aux chocs

Le Kevlar est 8x plus résistant aux chocs que l'ABS tout en restant 15-20 % plus léger que nos autres fibres de renforcement.

Résistance à la flexion

En flexion trois points, le Kevlar imprimé en 3D est 3x plus résistant que l'ABS et 6x plus résistant que le nylon.

Rigidité à la flexion

Le Kevlar imprimé en 3D est 12x plus rigide que l'ABS et 30x plus rigide que le nylon.

Le Kevlar possède une excellente durabilité, le rendant optimal pour les pièces subissant des chargements répétés et soudains. Aussi rigide que la fibre de verre et bien plus ductile, il peut être utilisé pour une grande variété d'applications adaptées à la fabrication additive, telles que :

• Chaussures de sport
• Robotique et berceaux
• Effecteurs de fin / pinces
• Coques de smartphone, électronique personnelle
• Pièces actionnées par hydraulique ou pneumatique
• Équipement de protection, casques ; combat, moto
• Leviers de frein, pinces, supports
• Fixations, outillage, bridage, mâchoires souples
• Engrenages, clés, drones
• Articles de sport & accessoires, mousquetons
• Pièces d'usage final, produits de consommation, etc.

Les pinces Dixon Valve sont imprimées en Onyx et renforcées au Kevlar. Le matériau doit être assez fort pour transmettre la force de serrage, durable à travers les cycles de chargement répétés, et non-marquant pour les valves.

Les composites en impression 3D tirent parti de la résistance à la compression de la matrice plastique — la structure de support qui comprend la majeure partie du volume de la pièce — et de la résistance à la traction des fibres intégrées. Ces deux matériaux sont mutuellement dépendants : sans fibre, la pièce plastique n'est forte que par l'adhésion entre et dans les brins de plastique extrudés. Sans la matrice, la fibre n'a pas de structure et ne maintiendra donc pas sa forme. La matrice crée l'espace pour que la fibre ait un bras de levier pour stabiliser contre la charge. Combinés, ils synergisent pour former un composite avec une résistance supérieure en compression et traction que l'un ou l'autre ne peut offrir individuellement. C'est vrai pour toutes nos fibres : Kevlar, fibre de carbone, fibre de verre, et fibre de verre HSHT.

Maintenant, explorons un peu plus notre compréhension de la fibre de carbone.

Fibre de carbone

Le filament de fibre de carbone est composé d'atomes de carbone organisés en structure cristalline. En raison de sa rigidité et résistance très élevées, il est largement utilisé dans les industries aérospatiale et automobile. Il a l'un des plus hauts rapports résistance/poids existants — supérieur à l'acier et au titane.

Lire notre guide gratuit de conception composites

Rapport résistance/poids

Comparé à l'aluminium 6061, la fibre de carbone imprimée en 3D a un rapport résistance/poids 50 % plus élevé en flexion et 300 % plus élevé en traction.

Résistance à la flexion

En flexion trois points, notre fibre de carbone imprimée en 3D est 8x plus résistante que l'ABS et 20 % plus résistante que la limite d'élasticité de l'aluminium.

Rigidité à la flexion

Le filament de fibre de carbone imprimé en 3D est 25x plus rigide que l'ABS et 2x plus rigide que les autres fibres de renforcement Markforged.

Caractéristiques du matériau fibre de carbone :

• La fibre de carbone Markforged imprimée en 3D est égale à la limite d'élasticité de l'aluminium 6061
• Elle casse à la même contrainte où l'aluminium commence à se déformer plastiquement
• La fibre de carbone revient à sa forme originale après retrait de la charge alors que l'aluminium se déforme plastiquement
• Haute rigidité et haut rapport résistance/poids
• Conductrice à l'électricité
• Résistante à la corrosion et à la chaleur
• Rigide jusqu'à la rupture (rupture abrupte et non prévisible)
• Chargement idéal constant — supportant une force connue en permanence

Les propriétés incroyables de la fibre de carbone lui permettent d'être utilisée comme remplacement de métal dans les applications où l'économie de poids est importante. Chaque industrie a maintenant la capacité d'exploiter le CFF avec la fibre de carbone et d'imprimer des pièces incroyablement fortes. Le Design Génératif offre aussi des avantages combiné au CFF Markforged qui permet aux concepteurs d'explorer de multiples solutions optimisées et de sélectionner le meilleur design adapté à son usage tant du point de vue conception que résistance.

La fibre de carbone peut être utilisée pour une grande variété d'applications ; aérospatial, automobile, architecture et construction, biens de consommation, médical, énergie, défense, électronique, machinerie industrielle, etc. adaptées à la fabrication additive et il n'y a pas de fin à cette liste, donc voici quelques exemples :

• Robotique et bras robotiques
• Effecteurs de fin, pinces, mâchoires souples
• Fixations d'inspection, de soudage, CMM
• Outils de formage
• Vélos et leurs composants
• Applications motorsport haut de gamme

Regardez le cas d'usage Haddington Dynamics, un bras robotique imprimé en 3D renforcé de filament de fibre de carbone continue, assez rigide et léger pour que le bras robotique ait une précision de 50 microns. En utilisant une imprimante 3D fibre de carbone, l'entreprise a pu réduire le nombre de pièces de 800 à moins de 70.

Contactez-nous pour plus d'aide ou de conseils sur la fibre de renforcement la plus appropriée pour votre application. Demandez un échantillon Kevlar ou fibre de carbone aujourd'hui.