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

Les matériaux composites, tels que les plastiques renforcés de fibres de carbone, sont des matériaux très polyvalents et efficaces, qui stimulent l'innovation sur divers marchés, de l'aérospatiale aux soins de santé. Ils surpassent les matériaux traditionnels tels que l'acier, l'aluminium, le bois ou le plastique, et permettent la fabrication de produits légers hautes performances.

Dans ce guide, découvrez les bases de la fabrication de pièces en fibre de carbone, y compris les différentes méthodes de superposition, de stratification et de moulage de la fibre de carbone, et comment utiliser l'impression 3D pour fabriquer des moules en fibre de carbone afin de réduire les coûts et de gagner du temps. Il existe également des composites imprimés directement en 3D, tels que la poudre Formlabs Nylon 11 CF, un matériau chargé de fibres de carbone parfait pour les applications nécessitant à la fois une rigidité et une résistance supérieures. Lorsqu'elle est imprimée sur l'imprimante Formlabs Fuse 1+ 30W, la poudre Nylon 11 CF produit des pièces légères et rigides qui restent structurellement et thermiquement stables et peuvent supporter des impacts répétés.

Pièce d'échantillon de poudre Nylon 11 CF

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Un matériau composite est une combinaison de deux ou plusieurs constituants présentant des caractéristiques différentes de celles de ces composants individuels. Les propriétés techniques sont généralement améliorées, telles qu'une résistance, une efficacité ou une durabilité accrues. Les composites sont constitués de renforts (fibres ou particules) maintenus ensemble par une matrice (polymère, métal ou céramique). 

Les polymères renforcés de fibres (FRP) 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 notamment pour les avions, les voitures de course et les vélos car il est plus de trois fois plus résistant et plus rigide que l'aluminium, mais 40 % plus léger. Il est formé de fibre de carbone renforcée liée à une résine époxy.

Les fibres peuvent être tissées unidirectionnellement et stratégiquement alignées pour créer une résistance par rapport à un vecteur. Les fibres tissées croisées peuvent être utilisées pour créer de la résistance dans plusieurs vecteurs et elles sont également responsables de l'aspect matelassé caractéristique des pièces composites. Il est courant que des pièces soient produites avec une combinaison des deux. Il existe plusieurs types de fibres disponibles, notamment :

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

La fabrication de polymères renforcés de fibres, tels que les pièces en fibre de carbone, est un processus habile et exigeant en main-d'œuvre, utilisé à la fois dans la production unique et par lots. Le temps de cycle varie d'une heure à 150 heures selon la taille et la complexité de la pièce. Généralement dans la fabrication de FRP, les fibres droites continues 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 tout autant que par le procédé de contrecollage :la manière dont les fibres sont incorporées influence fortement les performances de la pièce. Les résines thermodurcies sont façonnées avec le renfort dans un outil ou un moule, puis durcies pour former un produit robuste. Il existe différentes techniques de laminage disponibles, qui peuvent être différenciées en trois types principaux :

Lors du dépôt humide, la fibre est coupée et déposée dans le moule, puis la résine est appliquée au pinceau, au rouleau ou au pistolet. Cette méthode nécessite le plus de compétences pour créer des pièces de haute qualité, mais c'est également le flux de travail le moins coûteux avec les exigences les plus faibles pour commencer à fabriquer des pièces DIY en fibre de carbone. Si vous débutez dans la fabrication de pièces en fibre de carbone et que vous n'êtes pas encore équipé, nous vous recommandons de commencer par un laminage manuel par stratification humide.

Regardez la vidéo pour voir comment fonctionne le processus de superposition de fibres de carbone humides.

Avec le laminage préimprégné, la résine est infusée dans la fibre en amont. Les feuilles pré-imprégnées sont conservées au froid pour inhiber le durcissement. Les plis sont ensuite durcis dans le moule sous chaleur et pression dans un autoclave. Il s'agit d'un processus plus précis et reproductible car la quantité de résine est contrôlée, mais c'est aussi la technique la plus coûteuse habituellement utilisée dans les applications hautes performances.

Avec le moulage RTM, la fibre sèche est insérée dans un moule en deux parties. Le moule est fermé par serrage avant de forcer la résine dans la cavité à haute pression. Il est généralement automatisé et utilisé pour la fabrication de plus grands volumes.

Étant donné que la qualité du moule a un impact direct sur la qualité de la pièce finale, la fabrication d'outils est un aspect essentiel de la fabrication de FRP. La plupart des moules sont produits à partir de cire, de mousse, de bois, de plastique ou de métal par usinage CNC ou fabrication artisanale. Même si les techniques manuelles nécessitent beaucoup de main d'œuvre, l'usinage CNC suit toujours un flux de travail complexe et long, en particulier pour les géométries complexes, et l'externalisation a généralement un coût élevé et un long délai d'exécution. Les deux options nécessitent des travailleurs qualifiés et offrent peu de flexibilité sur les itérations de conception et les ajustements de moule.

La fabrication additive offre une solution pour produire rapidement des moules et des modèles à faible coût pour la fabrication de pièces en fibre de carbone. L’utilisation d’outillages polymères dans les processus de fabrication ne cesse de croître. Remplacer les outils métalliques par des pièces en plastique imprimées en interne constitue un moyen puissant et rentable de réduire les délais de production tout en augmentant la flexibilité de conception. Les ingénieurs travaillent déjà avec des pièces imprimées en 3D en résine polymère pour fabriquer des gabarits et des montages afin de prendre en charge des méthodes telles que l'enroulement filamentaire ou le placement automatisé de fibres. De même, les moules et matrices imprimés en petite série sont utilisés dans le moulage par injection, le thermoformage ou le formage de tôles pour produire des lots de faible volume. 

L'impression 3D de bureau en interne nécessite un équipement limité et réduit la complexité du flux de travail. Les imprimantes de bureau professionnelles en résine telles que la Form 4 sont abordables, faciles à mettre en œuvre et peuvent être rapidement adaptées à la demande. La fabrication de grands outils et moules est également possible avec des imprimantes 3D grand format telles que la Form 4L.

La technologie d'impression 3D par stéréolithographie (SLA) crée des pièces avec une finition de surface très lisse, ce qui est essentiel pour les moules de stratification en fibre de carbone. Il permet de réaliser des géométries complexes avec une grande précision. De plus, la bibliothèque de résines Formlabs contient des matériaux d'ingénierie dotés de propriétés mécaniques et thermiques qui se marient bien avec la fabrication de moules et de modèles.

Les moules imprimés en 3D pour la fabrication de pièces en fibre de carbone peuvent réduire les coûts et les délais de livraison.

Pour la production à petite échelle, les ingénieurs peuvent imprimer directement le moule à faible coût et en quelques heures sans avoir à le sculpter à la main ni à utiliser d'équipement CNC; Logiciel de FAO, configuration de la machine, maintien de la pièce, outillage et évacuation des copeaux. La main d’œuvre et les délais de fabrication des moules sont considérablement réduits, ce qui permet une itération rapide de la conception et la personnalisation des pièces. Ils peuvent réaliser des formes de moules complexes avec des détails fins qui seraient difficiles à fabriquer avec les méthodes traditionnelles. 

Directives d'architecture et de conception des moules

Lors de la conception de votre moule, réfléchissez à ce qui sera imprimé avec succès, ainsi qu'à ce qui sera moulé avec succès. Différentes architectures de moules sont utilisées pour créer différents types de géométrie :

• Moule monobloc en sachet sous vide : Utilisé pour les pièces nécessitant une face de classe A, c'est-à-dire une finition brillante. Il peut être positif ou négatif, selon le côté qui doit être de classe A. Un côté est la surface du moule, l'autre côté est la surface du sac sous vide.
• Moule en deux parties en moulage par compression : Utilisé pour les pièces dont les deux côtés doivent être de classe A. Les deux côtés sont des surfaces de moule.
• Moule vessie en moulage sous pression : Utilisé pour les géométries complexes où un sac sous vide ou un moule à compression ne peuvent pas être utilisés en raison de l'incapacité de la pièce à démouler. Un côté est la surface du moule, tandis que l'autre côté est la surface de la vessie.
• Modèle de moule pour créer un moule négatif : Utilisé lorsque plusieurs moules sont souhaités pour augmenter la production. Plusieurs moules peuvent être réalisés à partir d'un seul modèle.

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 les moules rigides. Cependant, l'utilisation d'un matériau d'impression 3D souple tel que la résine Tough 1500 peut vous permettre de créer des pièces sans ébauche et d'inclure des géométries difficiles qui ne pourraient pas être démoulées à partir d'un moule rigide. Définissez un rayon minimum adapté à l'épaisseur de votre matériau :cela aide les fibres à s'aligner sur les coins tout en évitant l'inclusion d'air, et à créer des pièces de qualité reproductible. Évitez les virages abrupts et proches, car les géométries fluides sont plus faciles à travailler que les géométries carrées et audacieuses.

Définissez un rayon minimum adapté à l'épaisseur de votre matériau :  Cela aide les fibres à s'aligner sur les coins tout en évitant l'inclusion d'air et à créer des pièces de qualité reproductible. Évitez les virages abrupts et proches, car les géométries fluides sont plus faciles à travailler que les géométries carrées et audacieuses.

Inclure les repères de localisation et les retraits pour les moules qui nécessitent un alignement précis. L'un des grands avantages de l'impression 3D est qu'elle permet une géométrie d'alignement complexe et aide à fabriquer des conceptions sensibles au positionnement.

Inclure le dépassement de surface : l'excédent de matériau de la surface étendue sera coupé pour tracer une ligne de coupe précise. L'impression 3D vous permet d'imprimer en dépassement sans avoir besoin de fabriquer des solins.

Ajouter des lignes de coupe : L'impression 3D vous permet d'incorporer des fonctionnalités de toilettage précises telles que des guides de perçage, des lignes de traçage pour la coupe manuelle ou des rails de guidage de toupie.

Autres bonnes pratiques :

• Imprimez à la hauteur de couche la plus petite possible pour optimiser la résolution et l'étape de démoulage.
• Évitez les supports sur les faces de moulage pour une meilleure finition de surface.
• Utilisez un agent de démoulage :ceci est nécessaire pour activer le processus de démoulage.
• Pour éviter toute inclusion d'air :après avoir agité et mélangé, attendez deux minutes pour que l'air s'échappe de la résine. Répéter après avoir brossé la première couche de résine. S'il reste de petites bulles d'air, elles peuvent être polies et scellées lors du post-traitement.

Le Formula Student est un concours annuel de conception technique au cours duquel des équipes d'étudiants du monde entier construisent et pilotent des voitures de type formule. La Formula Student Team 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 de la TU Berlin (FasSTTUBe) construit trois véhicules pour la compétition annuelle Formula Student.

Ayant accès à presque toute la gamme des technologies de fabrication, l'équipe FasSTTUBe utilise l'impression 3D à trois fins :

1. Prototypes : ils impriment des prototypes pour diverses pièces, comme les fixations de la barre anti-roulis ou les intervenants de la Batterie HV.
2. Moules en fibre de carbone imprimés en 3D : l'équipe a imprimé une douzaine de moules pour fabriquer des pièces en fibre de carbone qui n'auraient pas pu être fabriquées autrement. 
3. Pièces d'utilisation finale : environ 30 pièces sur les véhicules finaux sont directement imprimées en 3D : des supports de boutons, des manettes de changement de vitesse du volant, aux durites et connecteurs de capteurs des systèmes de refroidissement.

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

La réduction du poids est essentielle dans la construction des voitures de course. Dans un effort pour alléger les pièces, ils auraient pu imprimer des poignées de volant creuses, mais celles-ci ne seraient pas assez solides pour supporter la poigne du conducteur. La fibre de carbone est un excellent matériau pour réduire le poids tout en conservant ou en augmentant la résistance. Pour pouvoir fabriquer la pièce en fibre de carbone cette année, Felix Hilken, responsable de l'aérodynamique et de la fabrication du carbone, a développé un flux de travail utilisant des moules imprimés en 3D pour la stratification par voie humide.

Équipement nécessaire : 

• Imprimante 3D Formlabs SLA avec résine Tough 1500
• Fibre de carbone :trois couches de 200 g, 3K, 0,3 mm, motif tissé sergé
• Démoulage :cire et alcool polyvinylique
• Résine époxy haute résistance
• Brosse et ciseaux
• Sac sous vide, pompe à vide et chiffon respirant
• Papier de verre

Le grip a été fabriqué en deux moitiés afin de pouvoir démouler la pièce. Pour chaque moitié du grip, Félix a conçu un moule en deux parties comprenant des caractéristiques qui seraient difficiles à fabriquer sans impression 3D, notamment :

• Fonctions fines telles que des rayons internes serrés, des surfaces de balayage ou des surfaces à rayons variables
• Bords arrondis et serrés qui ne peuvent pas être démoulés à partir d'un moule en aluminium
• Retraits pour l'emplacement de perçage car la pièce est sensible au positionnement

L'équipe a imprimé les moules sur l'imprimante Form Series avec de la résine Tough 1500 à une hauteur de couche de 50 microns. Les impressions ont été lavées pendant deux périodes de 10 minutes dans de l'IPA et post-durcies pendant 60 minutes à 70 °C. La résine Tough 1500 a été choisie car elle équilibre l'allongement et le module :les pièces imprimées dans ce matériau peuvent se plier considérablement et reprendre rapidement leur forme d'origine. Il s'agit d'une propriété mécanique souhaitée pour éviter la casse du moule lors du démoulage.

Appliquez un agent de démoulage pour faciliter le processus de démoulage. Il s'agit d'une première étape cruciale :si certaines surfaces ne sont pas recouvertes, la pièce ne se séparera pas du moule.

1. Couvrir de cire (facultatif mais recommandé)
2. Couvrir avec de l'alcool polyvinylique (PVA)

Mélangez la résine avec le durcisseur. Le rapport de mélange doit être soigneusement respecté. S'il s'écarte ne serait-ce que de quelques pour cent du rapport cible, la pièce sera soit trop molle, soit seulement partiellement durcie. Suivez attentivement les instructions du fabricant de résine et lisez la fiche de sécurité avant utilisation. Avec la résine Felix utilisée, le processus de polymérisation démarre deux heures après le mélange de la résine, ce qui laisse deux heures pour l'opération de drapage.

Appliquer de la résine avec un pinceau sur le côté positif du moule.

Posez une couche 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 l'épaisseur du tissage et le prix. Il est spécialement conçu pour suivre des contours complexes et ne contient pas de brins de support.

Appliquez de la résine sur la couche de carbone et répétez le processus de superposition. La résine lie les couches entre elles, formant le composant matriciel de la pièce, et empêche la fibre de se réaligner. Felix a utilisé trois épaisseurs de fibre de carbone.

Appliquez une dernière couche de résine sur la partie négative du moule et pressez les deux moitiés du moule ensemble pour éviter la formation de bulles d'air et la pénétration à travers les fibres.

Coupez le matériau supplémentaire à l'aide de ciseaux. 

Laisser durcir 48 heures dans un sac sous vide. Lors de ce processus de polymérisation, le sac sous vide aspire l'air et plaque les plis contre le moule, à température ambiante, pour éliminer l'excès de résine. Il garantit un rapport volumétrique résine/fibre souhaité, pour correspondre à la bonne rigidité de la pièce.

Finition :poncer tous les bords. Afin de nettoyer le moule après le processus, Félix l'a plongé dans l'eau pendant environ 30 minutes pour dissoudre le PVA, puis a utilisé du papier de verre fin de grain 1 500 pour éliminer les restes de résine. 

En utilisant de la fibre de carbone, l'équipe a réduit le poids du boîtier de volant de 120 g à 21 g, et a pu pousser la conception vers des géométries qui seraient extrêmement difficiles à fabriquer traditionnellement. "L'avantage de l'impression 3D est qu'une forme complexe est aussi facile à fabriquer qu'une forme simple, elle nécessite la même quantité de travail et d'équipement", explique Félix.

Sans l’impression 3D, l’équipe aurait dû externaliser le fraisage CNC d’un moule en aluminium, qui coûte cher, prend beaucoup de temps et nécessite des outils spécialisés. "J'usinerais le moule CNC, j'aurais besoin d'outils spécialisés et j'attendrais d'avoir une fente sur la machine. Mais je ne pourrais même pas faire cette géométrie. En particulier certains petits coins. Je devrais utiliser une conception qui ne contient aucune vis, de sorte que la pièce ne soit pas sensible au positionnement. "

D'après son estimation, un moule imprimé avec la résine Formlabs Tough 1500 pourrait être utilisé pour fabriquer une dizaine de pièces. Comme il s'agit d'un processus manuel, cela dépend de la minutie de l'opérateur :le moule peut se briser pendant le processus de séparation. Cependant, plusieurs moules imprimés en 3D peuvent être utilisés pour augmenter la production. Une autre solution pour prolonger la durée de vie du moule serait de le soutenir avec un moule générique métallique. Un insert imprimé en 3D porte la géométrie tandis qu'un moule métallique de secours aide à conserver sa forme. Cela pourrait être fabriqué avec une simple fraiseuse manuelle.

DeltaWing Manufacturing crée des pièces composites pour la société Panoz, concepteur et fabricant de voitures de sport de luxe exclusives de fabrication américaine.  Pour fabriquer des composants en fibre de carbone, DeltaWing Manufacturing usinait un modèle, superposait ou coulait un moule dessus, et finissait le moule avant d'appliquer le processus de préimprégné pour stratifier la pièce en fibre de carbone.

Au cours des dernières années, ils ont commencé à utiliser des pièces imprimées en 3D en interne comme étape intermédiaire dans ce processus. Panoz avait besoin de six unités de conduit d'air d'aile en fibre de carbone pour une voiture de course personnalisée. Afin de réduire la main d'œuvre et les délais de fabrication de leur technique traditionnelle de fabrication de moules, les ingénieurs de DeltaWing Manufacturing ont choisi d'imprimer directement le moule en 3D et de l'implémenter dans leur processus de préimprégné.

Équipement nécessaire :

• Imprimante 3D SLA Formlabs avec résine haute température
• Fibre de carbone :4K, motif bidimensionnel
• Démoulage :alcool polyvinylique
• Ruban Kapton (polyimide)
• Résine époxy haute résistance
• Brosse et ciseaux
• Sac sous vide, pompe à vide

Le conduit a été fabriqué en deux pièces distinctes sur deux moules différents afin de faciliter la séparation de la pièce finale du moule, puis collé. Chaque moule a également été imprimé en deux morceaux et assemblés ensemble afin qu'il puisse s'adapter au volume de construction de l'imprimante Form Series. Cependant, cela ne serait pas nécessaire avec le volume de construction plus important de l'imprimante Form 4L. Les pièces ont été conçues pour la fabrication additive, en suivant les recommandations de conception de moules.

DeltaWing a imprimé les moules en résine haute température sur une imprimante Form Series à une hauteur de couche de 100 microns. Cette résine a été sélectionnée car elle a une température de déformation thermique (HDT) de 238 °C à 0,45 MPa, la plus élevée parmi les résines Formlabs et l'une des plus élevées parmi les résines du marché.

La résine haute température peut résister à des températures de durcissement élevées, présente une bonne rigidité pour conserver sa forme pendant l'opération et un grand niveau de détails qui se traduira dans la pièce finale. Formlabs recommande de laver les impressions en résine haute température avec de l'IPA pendant 10 minutes, de post-durcir à 80 °C pendant 120 minutes, puis de chauffer les pièces pendant 3 heures à 160 °C pour un HDT plus élevé.

DeltaWing Manufacturing a appliqué son processus préimprégné habituel sur les moules imprimés, en utilisant une fibre à motif bidimensionnel préimprégné 4K. Chaque moule a été recouvert de ruban Kapton afin de renouveler la surface à chaque itération de moulage. La fibre était déposée sur les moules, puis les pièces étaient mises dans un sac sous vide et durcies dans un autoclave avant d'être démoulées et découpées. Les moules imprimés ont toléré un durcissement lent à 38 °C (100 °F) pendant 10 heures, ou bien un durcissement rapide à 126 °C (260 °F) pendant une heure sans dommage. Les deux moitiés du conduit de carbone ont été liées lors d'une étape finale.

L’équipe a testé six itérations pour un moule sans observer de dégradation significative. Nous estimons qu'environ 10 à 15 itérations sont possibles pour un moule. Comme les autoclaves sont utilisés pour appliquer de la chaleur et de la pression pendant le durcissement dans le processus de préimprégné, le moule imprimé ne peut supporter que quelques itérations. Par conséquent, cette méthode n’est pas recommandée pour la production en grand volume, mais elle constitue un excellent moyen de produire des lots en courte série et des pièces personnalisées en masse. Cela permet un large éventail d'applications telles que des équipements sportifs de haute performance, des outils personnalisés pour l'aérospatiale ou des prothèses personnalisées uniques pour les patients dans le cadre des soins de santé. 

Il existe une forte demande pour des flux de travail combinant la résistance, la durabilité et la robustesse des pièces traditionnelles en fibre de carbone avec l'agilité, les possibilités géométriques et la répétabilité de l'impression 3D. Il n'est donc pas surprenant que de nombreuses sociétés d'impression 3D proposent l'impression 3D en fibre de carbone, les deux procédés actuellement disponibles étant l'impression avec des fibres coupées ou des fibres continues.

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

La poudre Formlabs Nylon 11 CF est solide, légère et résistante à la chaleur, ce qui la rend idéale pour les applications automobiles, aérospatiales et manufacturières.

La fabrication de polymères renforcés de fibres est un processus passionnant, mais complexe et exigeant en main-d'œuvre. L'utilisation de moules et de modèles imprimés en 3D pour fabriquer des pièces en fibre de carbone permet aux entreprises de réduire la complexité des flux de travail, d'élargir la flexibilité et les opportunités de conception, et de réduire les coûts et les délais. 

Pour les pièces directement imprimées en 3D qui offrent de nombreux avantages de la fibre de carbone, avec les avantages supplémentaires d'une flexibilité géométrique et d'un processus plus simple et plus efficace, il existe des matériaux tels que la poudre Formlabs Nylon 11 CF pour les imprimantes 3D Fuse Series SLS. 

Pour discuter de votre application et déterminer la meilleure approche pour utiliser l’impression 3D de pièces en fibre de carbone, contactez notre équipe.