La fabrication additive peut être utilisée avec une large gamme de matériaux , allant des thermoplastiques haute performance comme le PEEK aux métaux de qualité aérospatiale comme le titane.
Cependant, il arrive que les ingénieurs souhaitent combiner les propriétés de deux matériaux différents, et l'une des meilleures solutions consiste à utiliser des composites . Employés dans des procédés tels que le dépôt de fil fondu (FDM) et le frittage sélectif par laser (SLS) (ainsi que dans des technologies plus récentes), les matériaux composites sont généralement constitués d'un matériau thermoplastique de base et d'un élément de renforcement, comme la fibre de carbone. Le rapport entre ces deux éléments peut varier, de même que la méthode d'intégration du matériau de renforcement.
Avec l'amélioration constante des technologies d'impression 3D , l'utilisation des composites imprimables en 3D se généralise. Leur usage ne se limite d'ailleurs pas à l'industrie : si certains composites (comme les poudres SLS) sont principalement destinés aux industriels , d'autres (tels que les thermoplastiques renforcés de fibres courtes) peuvent être utilisés dans des imprimantes 3D FDM de milieu de gamme, pour les particuliers comme pour les professionnels . Si vous souhaitez explorer des matériaux avancés ou bénéficier d'un accompagnement d'experts, les services d'impression 3D de 3ERP vous permettent de concrétiser vos projets avec précision et rapidité.
Cet article sert d'introduction à l'impression 3D de matériaux composites. Il présente certains matériaux composites et technologies d'impression populaires, explique la différence entre les composites à fibres courtes et à fibres continues, et examine les principales applications et avantages de l'impression 3D de composites.
Que sont les matériaux composites pour l'impression 3D ?
En termes simples, un matériau composite est un matériau composé de deux matériaux différents ou plus . Markforged, spécialiste de l'impression 3D de composites, définit les composites comme étant « composés de plusieurs matériaux qui, une fois combinés, possèdent des propriétés différentes de celles de leurs matériaux d'origine ».
Parmi les matériaux composites autres que l'impression 3D, on peut citer le contreplaqué (couches de placage de bois de différentes essences) et le béton armé (béton renforcé par des barres d'acier).
En impression 3D, les composites sont généralement constitués d'un matériau de base thermoplastique (la matrice) et d'un élément de renforcement comme la fibre de carbone, la fibre de verre, le graphène ou le Kevlar . (À noter qu'un mélange de deux thermoplastiques, comme le PLA et l'ABS, est généralement appelé mélange , et non composite.) Les matériaux de base peuvent être pratiquement n'importe quoi, mais les industriels utilisent généralement des thermoplastiques haut de gamme qui présentent de bonnes caractéristiques, même sans renfort ; parmi ces plastiques, on trouve le PC, le nylon et le PEEK.
Les composites peuvent se présenter sous différentes formes, les plus courantes étant les poudres mélangées pour le frittage laser sélectif (SLS) et les filaments mélangés pour le dépôt de fil fondu (FDM) . Moins fréquents, mais particulièrement prometteurs, sont les composites constitués d'un matériau de base associé à des fibres continues qui, grâce à des procédés innovants, peuvent être intégrées ou tissées dans des matrices thermoplastiques lors de l'impression. Ces procédés nécessitent généralement deux buses : l'une pour déposer le thermoplastique et l'autre pour répartir les fibres continues. Enfin, il existe également un nombre limité de résines composites pour les procédés d'impression 3D par photopolymérisation en cuve, comme la stéréolithographie (SLA) ; cette technologie permet de polymériser des résines thermodurcissables autour d'un squelette de fibres de renforcement.
Matériaux d'impression 3D composites populaires
Qu’ils se présentent sous forme de poudre, de filament ou autre, les matériaux composites pour impression 3D sont généralement conçus pour leur haute résistance , leur grande rigidité , leur bonne stabilité dimensionnelle et leur excellent rapport résistance/poids . Les fibres, exceptionnellement légères, permettent d’améliorer considérablement la résistance d’un thermoplastique sans en augmenter la masse. Les composites techniques imprimés en 3D peuvent même se substituer au métal.
Les thermoplastiques de base pour l'impression 3D FDM de composites vont des polymères courants comme le PLA et l'ABS , pour les solutions les plus économiques, aux polymères haute performance comme le PEEK, pour les solutions haut de gamme. Le nylon est le matériau principal utilisé pour les poudres composites SLS (car il est généralement le matériau principal utilisé en frittage laser), mais des matériaux haute performance comme le PAEK peuvent également être utilisés.
Si l'on considère l'ensemble des matériaux composites (y compris hors impression 3D), la fibre de verre est le matériau de renforcement le plus répandu, notamment dans les composites imprimés en 3D. En fabrication additive, cependant, les fibres de carbone sont bien plus utilisées que le verre, car l'impression 3D de composites est employée dans de nombreuses applications critiques où la résistance supérieure du carbone justifie son coût plus élevé. Parmi les autres matériaux de renforcement, on trouve le Kevlar et le graphène.
Matériaux de base
- Polyamide / nylon (PA) :
- Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
- Acide polylactique (PLA)
- Polycarbonate (PC):
- Polyétherimide (PE)
- Sulfure de polyphénylène (PPS)
- Polyéther éther cétone (PEEK)
- Polyaryléthercétone (PAEK)
Renforts
- Fibre de carbone
- Fibre de verre
- Des billes de verre
- Kevlar
- Le graphène
- Autres métaux
Parmi les matériaux composites de marque disponibles sur le marché, on peut citer le PA 640-GSL d'EOS , une poudre de nylon PA 12 SLS renforcée par des billes de verre et des fibres de carbone ; le CarbonX PETG+CF de 3DXTech , un filament PETG FDM renforcé par des fibres de carbone coupées ; et l'Onyx de Markforged , un matériau de base en nylon chargé de fibres de carbone qui peut également être renforcé par des fibres continues grâce à la technologie d'impression composite exclusive de Markforged.
Procédés d'impression 3D pour les matériaux composites
Hormis quelques exceptions, les principales technologies d'impression 3D pour l'impression 3D composite sont la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM), le frittage laser sélectif (SLS) et les nouvelles technologies d'impression de fibres continues.
FDM
Le procédé d'impression 3D FDM est le plus répandu pour les pièces en plastique, et de nombreuses imprimantes de milieu de gamme sont capables de traiter des matériaux composites comme l'ABS renforcé de fibres de carbone. Les matériaux composites pour FDM sont constitués d'un matériau de base thermoplastique et (généralement) de fibres discontinues coupées. Ces fibres peuvent renforcer et rigidifier les pièces imprimées, mais en grande quantité, elles peuvent aussi rendre le filament plus difficile à imprimer et nuire à la qualité de surface.
SLS
Le frittage sélectif par laser (SLS) est un autre procédé d'impression 3D plastique adapté à la production de pièces composites. En raison du coût et de la complexité des systèmes SLS, cette technologie est principalement utilisée par les industriels. Les matériaux sont un mélange de poudres thermoplastiques (souvent du nylon) et d'éléments de renforcement tels que des fibres coupées ou des billes de verre. Il est important de noter que les poudres SLS pour composites ne sont pas universelles ; certains fabricants de matériel, comme EOS, proposent des machines dédiées à l'impression de composites.
Nouveaux procédés de fibres continues
L'un des domaines les plus novateurs de la fabrication additive est l'impression de composites à fibres continues, un concept expliqué dans la section suivante. Des entreprises comme Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs et Anisoprint ont développé des équipements de fabrication additive de composites capables d'intégrer des fibres continues dans des pièces thermoplastiques lors de l'impression, généralement en alimentant chaque couche avec ces fibres à l'aide d'une buse distincte.
Composites à fibres coupées versus composites à fibres continues
Les matériaux composites pour impression 3D avec fibres de renforcement se divisent en deux catégories distinctes : les composites à fibres courtes et les composites à fibres continues. Ainsi, même si deux composites différents contiennent exactement les mêmes matériaux constitutifs, leurs performances peuvent être très différentes selon qu’ils contiennent des fibres courtes ou continues.
- Fibres hachées Ce sont de minuscules brins de matériau de renforcement comme le carbone ou le Kevlar. Leur taille typique est de 100 mm. moins d'un millimètre De par leur longueur, ces fibres peuvent être facilement mélangées à une matrice thermoplastique (PLA, ABS, etc.), conférant ainsi au plastique ordinaire une résistance et une rigidité accrues. Les fibres coupées sont extrêmement utiles car elles sont très polyvalenteElles peuvent être mélangées à une grande variété de thermoplastiques, et les composites obtenus peuvent être imprimés sur des imprimantes 3D ordinaires. Cependant, lorsque des fibres coupées sont mélangées à un matériau de base, chaque fibre individuelle acquiert une propriété particulière. orientation aléatoirece qui rend le matériau moins résistant qu'un matériau à fibres continues.
- Fibres continues, d'autre part, sont plus long, unidirectionnel Des brins de matériau de renforcement qui, intégrés dans une matrice thermoplastique, offrent une résistance nettement supérieure à celle des fibres coupées. En effet, un brin peut absorber et répartir les charges sur toute sa longueur, ce qui permet d'obtenir une résistance plus importante avec une longueur continue plus grande. une plus grande capacité de charge L'impression 3D de composites à fibres continues est plus onéreuse que celle à fibres coupées. Ce n'est qu'au cours des cinq dernières années que cette technique s'est généralisée, plusieurs fabricants développant leurs propres technologies. Il va sans dire que l'impression de composites à fibres continues est plus coûteuse que celle à fibres coupées, car elle nécessite un matériel dédié.
Applications des matériaux composites
Les matériaux composites ont de nombreuses utilisations dans de nombreux secteurs industriels, et leurs applications couvrent les prototypes , les pièces finales et l'outillage.
Les secteurs qui utilisent la fabrication additive et l'impression 3D de composites comprennent l'aérospatiale, l'automobile, l'électronique, les biens de consommation, le médical et l'industrie . La plupart de ces industries utilisent l'impression 3D de composites pour fabriquer des pièces de haute rigidité de petite taille (bien que certaines machines d'extrusion grand format soient capables d'imprimer des composites).
L'outillage — à petite ou grande échelle — est une application particulièrement pertinente de l'impression 3D composite, car les matériaux renforcés sont idéaux pour les moules et l'outillage de préhension.
En termes de technologies particulières, l'impression 3D à fibres continues offre le plus grand champ d'applications potentielles (comparée à la FDM ou à la SLS), bien qu'elle soit encore à ses débuts et moins répandue que les techniques d'impression 3D à fibres coupées.
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