Guide étape par étape pour la fabrication de composants carbone haute performance

Les matériaux composites, tels que les plastiques renforcés fibre de carbone, sont des matériaux hautement polyvalents et efficaces, stimulant l'innovation dans divers marchés de l'aérospatial à la santé. Ils surpassent les matériaux traditionnels comme l'acier, l'aluminium, le bois ou le plastique, et permettent la fabrication de produits légers haute performance.

Dans ce guide, apprenez les bases de la fabrication de pièces carbone, incluant les différentes méthodes de stratification, laminage et moulage carbone, et comment vous pouvez utiliser l'impression 3D pour faire des moules carbone pour réduire coûts et gagner du temps. Les composites directement imprimés en 3D existent aussi, comme la poudre Nylon 11 CF Formlabs, un matériau chargé fibre de carbone parfait pour applications nécessitant rigidité et résistance supérieures. Imprimée sur l'imprimante Formlabs Fuse 1+ 30W, la poudre Nylon 11 CF produit des pièces légères, rigides, restant structurellement et thermiquement stables et supportant des impacts répétés.

Pièce d'échantillon Nylon 11 CF Powder

Voyez et sentez la qualité du nylon chargé fibre de carbone par vous-même. Nous vous enverrons une pièce d'échantillon gratuite à votre bureau.

Demander une pièce d'échantillon gratuite

Un matériau composite est une combinaison de deux ou plus constituants avec caractéristiques différentes de ces composants individuels seuls. Les propriétés d'ingénierie sont typiquement améliorées, comme résistance, efficacité ou durabilité ajoutées. Les composites sont faits de renforcement - fibre ou particule - maintenus ensemble par une matrice (polymère, métal, ou céramique).

Les polymères renforcés fibres (PRF) dominent le marché et ont alimenté la croissance de nouvelles applications dans diverses industries. Parmi eux, la fibre de carbone est un composite largement utilisé en particulier pour aéronefs, voitures de course, vélos car elle est plus de trois fois plus forte et rigide que l'aluminium, mais 40 % plus légère. Elle est formée par fibre de carbone renforcée liée avec une résine époxy.

Les fibres peuvent être uni-directionnelles et alignées stratégiquement pour créer de la résistance relative à un vecteur. Les fibres tissées croisées peuvent créer de la résistance dans plusieurs vecteurs et sont responsables de l'aspect matelassé signature des pièces composites. Il est courant que les pièces soient produites avec une combinaison des deux. Il existe plusieurs types de fibres disponibles, incluant :

La résine est utilisée pour maintenir ces fibres ensemble et créer un composite rigide. Bien que des centaines de types de résines puissent être employés, voici les plus populaires :

La fabrication de polymères renforcés fibres, comme les pièces carbone, est un processus habile et main-d'œuvre intensif utilisé en production unitaire et par lots. Le temps de cycle varie de une heure à 150 heures selon la taille et complexité de la pièce. Typiquement en fabrication PRF, les fibres continues droites sont jointes dans la matrice pour former des plis individuels, qui sont laminés couche par couche sur la pièce finale.

Les propriétés du composite sont induites par les matériaux autant que par le processus de laminage : la façon dont les fibres sont incorporées influence fortement la performance de la pièce. Les résines thermodurcissables sont façonnées avec le renforcement dans un outil ou moule, et durcies pour former un produit robuste. Il y a diverses techniques de laminage, différenciables en trois types principaux :

En stratification humide (wet lay-up), la fibre est coupée et posée dans le moule puis la résine est appliquée via pinceau, rouleau ou pistolet. Cette méthode demande le plus de compétence pour créer des pièces de haute qualité, mais c'est aussi le flux de travail le moins cher avec les exigences les plus basses pour débuter le carbone DIY. Si vous êtes nouveau dans la fabrication pièces carbone et pas encore équipé, nous recommandons de commencer avec le wet lay-up laminage manuel.

Regardez la vidéo pour voir comment fonctionne le processus de stratification carbone humide.

Avec le laminage préimprégné (prepreg), la résine est infusée dans la fibre à l'avance. Les plis préimprégnés sont stockés au froid pour inhiber le durcissement. Les plis sont ensuite durcis dans le moule sous chaleur et pression dans un autoclave. C'est un processus plus précis et répétable car la quantité de résine est contrôlée mais c'est aussi la technique la plus chère, généralement utilisée en applications haute performance.

Avec le moulage RTM (Resin Transfer Molding), la fibre sèche est insérée dans un moule en deux parties. Le moule est fermé avant de forcer la résine dans la cavité à haute pression. C'est généralement automatisé et utilisé pour fabrication plus gros volumes.

Comme la qualité du moule impacte directement la qualité de la pièce finale, la fabrication d'outillage est un aspect critique de la fabrication PRF. La plupart des moules sont produits en cire, mousse, bois, plastique ou métal via usinage CNC ou fabrication manuelle. Si les techniques manuelles sont très main-d'œuvre intensive, l'usinage CNC suit encore un flux complexe et chronophage — surtout pour géométries complexes — et la sous-traitance coûte généralement cher avec un long délai. Les deux options requièrent des ouvriers qualifiés et offrent peu de flexibilité sur les itérations de design et ajustements de moule.

La fabrication additive offre une solution pour produire rapidement moules et patrons à bas coûts pour faire des pièces carbone. L'usage d'outillage polymère dans les processus de fabrication croît continuellement. Remplacer les outils métal par des pièces polymères imprimées en interne est un moyen puissant et rentable pour raccourcir le temps de production tout en étendant la flexibilité de design. Les ingénieurs travaillent déjà avec des pièces polymères résine imprimées 3D pour gabarits et fixations de fabrication soutenant des méthodes comme le filament winding ou placement automatisé de fibres. De même, moules et matrices imprimés pour petites séries sont employés en moulage par injection, thermoformage ou formage tôle pour livrer des petits lots.

L'impression 3D de bureau en interne nécessite équipement limité et réduit la complexité du flux. Les imprimantes résine professionnelles de bureau comme la Form 4 sont abordables, faciles à implémenter, et peuvent être rapidement scalées avec la demande. La fabrication de grands outils et moules est aussi possible avec imprimantes 3D grand format comme la Form 4L.

La technologie d'impression 3D stéréolithographie (SLA) crée des pièces avec finition de surface très lisse, essentielle pour moules de stratification carbone. Elle permet géométries complexes avec haute précision. De plus, la Bibliothèque Résines Formlabs a des matériaux d'ingénierie avec propriétés mécaniques et thermiques qui s'accordent bien avec la fabrication de moules et patrons.

Les moules 3D imprimés pour fabrication pièces carbone peuvent réduire coûts et délais.

Architecture et directives de design de moule

En concevant votre moule, considérez ce qui s'imprimera avec succès, ainsi que ce qui se moultera avec succès. Différentes architectures de moule créent différents types de géométrie :

• Moule une partie en sac sous vide : Utilisé pour pièces nécessitant un côté classe A, signifiant finition brillante. Peut être positif ou négatif, selon quel côté doit être classe A. Un côté est la surface du moule, l'autre la surface du sac sous vide.
• Moule deux parties en moulage par compression : Utilisé pour pièces où les deux côtés doivent être classe A. Les deux côtés sont surfaces de moule.
• Moule vessie en moulage sous pression : Utilisé pour géométries complexes où sac sous vide ou moule compression ne peuvent être employés du fait de l'incapacité de la pièce à être démoulée. Un côté est surface moule, l'autre surface vessie.
• Patron de moule pour créer moule négatif : Utilisé quand plusieurs moules sont désirés pour augmenter la production. Plusieurs moules peuvent être faits d'un seul patron.

Ajouter un angle de dépouille : Deux à trois degrés d'angle de dépouille positif faciliteront l'étape de démoulage et augmenteront la durée de vie du moule, en particulier pour moules rigides. Cependant, utiliser un matériau d'impression 3D malléable comme la Tough 1500 Resin peut vous permettre de créer des pièces sans angle de dépouille et inclure géométries difficiles qui ne pourraient être démoulées d'un moule rigide. Définir un rayon minimum approprié à l'épaisseur de votre matériau : cela aide les fibres à s'aligner sur les coins en évitant l'inclusion d'air, et à créer des pièces de qualité répétable. Évitez coins raides et rapprochés, les géométries fluides sont plus faciles à travailler que les angulaires.

Définir un rayon minimum approprié à l'épaisseur de votre matériau : Cela aide les fibres à s'aligner sur les coins en évitant l'inclusion d'air, et à créer des pièces de qualité répétable. Évitez coins raides et rapprochés, les géométries fluides sont plus faciles à travailler que les angulaires.

Inclure goupilles et empreintes de positionnement pour moules nécessitant alignement précis. Un des grands avantages de l'impression 3D est qu'elle permet complexité en géométrie d'alignement et aide à fabriquer designs sensibles au positionnement.

Inclure débord de surface : l'excès de matière de la surface étendue sera coupé pour tracer une ligne de coupe précise. L'impression 3D vous permet d'imprimer en débord sans avoir à fabriquer du flash.

Ajouter lignes de coupe : L'impression 3D permet d'incorporer des fonctionnalités de finition précises comme guides de perçage, lignes de gravure pour coupe manuelle, ou rails de guide pour routeur.

Autres bonnes pratiques :

• Imprimer à la plus petite hauteur de couche possible pour optimiser résolution et étape de démoulage.
• Éviter supports sur faces de moulage pour meilleure finition de surface.
• Utiliser un agent de démoulage : requis pour permettre le processus de démoulage.
• Pour éviter inclusion d'air : après mélange, attendre deux minutes pour que l'air remonte hors de la résine. Répéter après application première couche de résine au pinceau. Si petites bulles persistent, elles peuvent être polies et scellées en post-traitement.

La Formula Student est une compétition annuelle de design d'ingénierie où des équipes étudiantes du monde entier construisent et font courir des voitures de style formule. L'équipe Formula Student TU Berlin (FaSTTUBe) est l'un des plus grands groupes ; 80 à 90 étudiants développent de nouvelles voitures de course chaque année depuis 2005.

L'équipe Formula Student à TU Berlin (FaSTTUBe) construit trois véhicules pour la compétition annuelle Formula Student.

Avec accès à près de toute la gamme de technologies de fabrication, l'équipe FaSTTUBe utilise l'impression 3D pour trois buts :

1. Prototypes : ils impriment prototypes pour diverses pièces, comme fixations de barre anti-roulis ou parties prenantes de la batterie HV.
2. Moules carbone imprimés 3D : l'équipe a imprimé une douzaine de moules pour fabriquer des pièces carbone qui n'auraient pas pu être faites autrement.
3. Pièces d'utilisation finale : environ 30 pièces sur les véhicules finaux sont directement imprimées 3D : porte-boutons, palettes de volant, tuyaux et connecteurs capteurs des systèmes de refroidissement.

Dans cette étude de cas, nous regardons les détails de l'application de moulage qu'ils ont utilisée pour fabriquer le boîtier et poignées du volant en fibre de carbone.

Réduire le poids est essentiel dans la construction de voitures de course. Pour alléger les pièces, ils auraient pu imprimer des poignées de volant creuses, mais ça n'aurait pas été assez fort pour supporter la prise du pilote. La fibre de carbone est un super matériau pour réduire le poids tout en maintenant ou augmentant la résistance. Pour pouvoir fabriquer la pièce en carbone cette année, Felix Hilken, Responsable Aérodynamique et Fabrication Carbone, a développé un flux utilisant moules 3D imprimés pour laminage wet lay-up.

Équipement nécessaire :

• Imprimante 3D SLA Formlabs avec Tough 1500 Resin
• Fibre de carbone : trois plis de 200g, 3K, 0,3mm, motif tissage sergé
• Agent de démoulage : cire et alcool polyvinylique
• Résine époxy haute résistance
• Pinceau et ciseaux
• Sac sous vide, pompe à vide, tissu respirant
• Papier de verre

La poignée a été fabriquée en deux moitiés pour pouvoir démouler la pièce. Pour chaque moitié de poignée, Felix a conçu un moule en deux parties incluant des fonctionnalités difficiles à fabriquer sans impression 3D, en particulier :

• Fonctionnalités fines comme rayons internes serrés, surfaces balayées, ou surfaces à rayons variables
• Bords arrondis serrés qui ne pourraient être démoulés d'un moule aluminium
• Empreintes pour positionnement perçage car la pièce est sensible au positionnement

L'équipe a imprimé les moules sur imprimante Form Series avec Tough 1500 Resin à hauteur de couche 50 microns. Les impressions ont été lavées deux périodes de 10 minutes en IPA et post-durcies 60 minutes à 70 °C. La Tough 1500 Resin a été choisie car elle équilibre allongement et module : pièces imprimées en ce matériau peuvent fléchir significativement et revenir vite à leur forme originale. C'est une propriété mécanique désirée pour éviter casse du moule pendant le démoulage.

Appliquer agent de démoulage pour faciliter le démoulage. Étape critique : si certaines surfaces ne sont pas couvertes, la pièce ne se séparera pas du moule.

1. Couvrir de cire (optionnel mais recommandé)
2. Couvrir d'alcool polyvinylique (PVA)

Mélanger la résine avec le durcisseur. Le ratio de mélange doit être suivi précisément. S'il est décalé de même quelques pourcents du ratio cible, la pièce sera soit trop molle soit seulement partiellement durcie. Suivez les instructions du fabricant de résine de près et lisez la fiche de sécurité avant usage. Avec la résine utilisée par Felix, la polymérisation commence deux heures après le mélange, laissant deux heures pour l'opération de stratification.

Appliquer la résine au pinceau sur le côté positif du moule.

Poser un pli de fibre de carbone sur le côté positif du moule. Assurez-vous de suivre tous les contours. L'équipe a utilisé une fibre 3K pour équilibrer épaisseur de tissage et prix. Elle est spécifiquement conçue pour suivre contours complexes et n'a pas de brins de support.

Appliquer résine sur le pli carbone et répéter le processus de stratification. La résine lie les couches ensemble, formant le composant matrice de la pièce, et empêche la fibre de se réaligner. Felix a utilisé trois plis carbone.

Appliquer une couche finale de résine sur la partie négative du moule et presser les deux moitiés du moule ensemble pour éviter formation de bulles d'air et leur perméation à travers les fibres.

Couper le matériel excédentaire avec ciseaux.

Durcir 48 heures en sac sous vide. Pendant ce processus de polymérisation, le sac sous vide aspire l'air et presse les plis contre le moule, à température ambiante, pour éliminer l'excès de résine. Cela assure un ratio volumétrique résine/fibre souhaité, pour matcher la bonne rigidité de pièce.

Finition : poncer tous les bords. Pour nettoyer le moule après le processus, Felix l'a trempé dans l'eau environ 30 minutes pour dissoudre le PVA et a utilisé papier de verre fin 1500 grain pour enlever la résine résiduelle.

En utilisant la fibre de carbone, l'équipe a réduit le poids du boîtier de volant de 120g à 21g, et a pu pousser le design vers des géométries extrêmement difficiles à fabriquer traditionnellement. « Le super truc avec l'impression 3D, c'est qu'une forme complexe est aussi facile à fabriquer qu'une simple, ça demande le même travail et équipement, » dit Felix.

Sans impression 3D, l'équipe aurait dû sous-traiter le fraisage CNC d'un moule aluminium, qui est cher, a un long délai, et requiert outils spécialisés. « Je ferais usiner le moule CNC, j'aurais besoin d'outils spécialisés, et d'attendre un créneau sur la machine. Mais je ne pourrais même pas faire cette géométrie. En particulier certains petits coins. Il me faudrait un design sans vis, donc la pièce ne serait pas sensible au positionnement. »

D'après son estimation, un moule imprimé avec la Formlabs Tough 1500 Resin pourrait fabriquer environ dix pièces. Comme c'est un processus manuel, ça dépend de la minutie de l'opérateur : le moule peut casser pendant la séparation. Cependant, plusieurs moules 3D imprimés peuvent être utilisés pour augmenter la production. Une autre solution pour étendre la durée de vie du moule serait de le soutenir avec un moule métallique générique. Un insert 3D imprimé porte la géométrie tandis qu'un moule métallique de secours aide à tenir sa forme. Cela pourrait être fabriqué avec une fraiseuse manuelle simple.

DeltaWing Manufacturing crée des pièces composites pour l'entreprise Panoz, concepteur et fabricant de voitures de sport de luxe américaines exclusives. Pour fabriquer composants carbone, DeltaWing Manufacturing usinait un patron, stratifiait ou coulait un moule dessus, finissait le moule avant d'appliquer le processus préimprégné pour laminer la pièce carbone.

Ces dernières années, ils ont commencé à utiliser des pièces 3D imprimées en interne comme étape intermédiaire dans ce processus. Panoz avait besoin de six unités d'un conduit d'air de garde-boue carbone pour une voiture de course personnalisée. Pour réduire main-d'œuvre et délai de leur technique traditionnelle de fabrication de moule, les ingénieurs de DeltaWing Manufacturing ont choisi d'imprimer directement le moule en 3D et de l'implémenter dans leur processus préimprégné.

Équipement nécessaire :

• Imprimante 3D SLA Formlabs avec High Temp Resin
• Fibre de carbone : 4K, motif bidimensionnel
• Agent de démoulage : alcool polyvinylique
• Ruban Kapton (polyimide)
• Résine époxy haute résistance
• Pinceau et ciseaux
• Sac sous vide, pompe à vide

Le conduit a été fabriqué en deux pièces distinctes sur deux moules différents pour faciliter la séparation de la pièce finale du moule, puis collées ensuite. Chaque moule a aussi été imprimé en deux pièces et assemblé pour tenir dans le volume de construction de l'imprimante Form Series — ce qui ne serait pas nécessaire avec le volume plus grand de la Form 4L. Les pièces étaient conçues pour fabrication additive, suivant les recommandations de design de moule.

DeltaWing a imprimé les moules en High Temp Resin sur imprimante Form Series à hauteur de couche 100 microns. Cette résine a été sélectionnée car elle a une température de fléchissement sous charge (HDT) de 238 °C @ 0,45 MPa, la plus haute parmi résines Formlabs et une des plus hautes parmi résines du marché.

La High Temp Resin peut supporter hautes températures de durcissement, montre bonne rigidité pour tenir forme pendant l'opération et super niveau de détails qui se transmettront à la pièce finale. Formlabs recommande de laver impressions High Temp Resin à l'IPA 10 minutes, post-durcir à 80 °C 120 minutes, puis chauffer les pièces 3 heures à 160 °C pour un HDT plus haut.

DeltaWing Manufacturing a appliqué leur processus préimprégné habituel sur les moules imprimés, utilisant fibre préimprégnée 4K motif bidimensionnel. Chaque moule était recouvert de ruban Kapton pour renouveler la surface à chaque itération de moulage. La fibre était stratifiée sur les moules, puis les pièces mises en sac sous vide et durcies en autoclave avant démoulage et découpe. Les moules imprimés ont toléré un durcissement lent à 38 °C (100 °F) pour 10 heures, ou alternativement, un durcissement rapide à 126 °C (260 °F) pour une heure sans dommage. Les deux moitiés du conduit carbone ont été collées en étape finale.

L'équipe a testé six itérations pour un moule sans observer dégradation significative. On estime 10-15 itérations possibles par moule. Comme les autoclaves appliquent chaleur et pression pendant le durcissement dans le processus préimprégné, le moule imprimé ne peut supporter que quelques itérations. Donc cette méthode n'est pas recommandée pour production gros volumes, mais c'est un super moyen pour produire petits lots et pièces personnalisées en masse. Cela permet une large gamme d'applications : équipement sport haute performance, outillage personnalisé aérospatial, prothèses personnalisées uniques aux patients en santé.

Il y a une forte demande pour flux combinant la résistance, durabilité et robustesse des pièces carbone traditionnelles avec l'agilité, possibilités géométriques et répétabilité de l'impression 3D. C'est donc pas surprenant qu'il y ait beaucoup d'entreprises d'impression 3D offrant impression 3D carbone, avec deux procédés actuellement disponibles : impression fibres hachées ou fibres continues.

En utilisant fibres de carbone hachées, la poudre Nylon 11 CF pour l'imprimante 3D industrielle Fuse 1+ 30W à frittage laser sélectif (SLS) permet aux fabricants de créer pièces fortes, légères et résistantes à la chaleur, sans compter sur les méthodes traditionnelles de superposition ou usinage.

La poudre Formlabs Nylon 11 CF est forte, légère et résistante à la chaleur, la rendant idéale pour applications auto, aéro, fabrication.

La fabrication de polymères renforcés fibres est un processus excitant, pourtant complexe et main-d'œuvre intensif. L'utilisation de moules et patrons 3D imprimés pour faire des pièces carbone permet aux entreprises de réduire la complexité du flux, étendre la flexibilité et opportunités de design, et réduire coûts et délais.

Pour pièces directement imprimées 3D offrant beaucoup des avantages du carbone, avec avantages additionnels de flexibilité géométrique et processus plus simple et efficace, il y a des matériaux comme la Formlabs Nylon 11 CF Powder pour imprimantes 3D SLS série Fuse.

Pour discuter votre application et trouver la meilleure approche pour vous d'utiliser l'impression 3D pour pièces carbone, contactez notre équipe.