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Matériaux composites, l’union fait la force

Matériaux composites, l’union fait la force

by Gaëtan Lefèvre4 décembre 2017
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Bien que la définition de la « fabrication additive » soit universellement acceptée et approuvée par les principaux organismes de standardisation, cette technologie comprend une série de processus et de technologies diversités, liés spécifiquement à différentes utilisations de matériaux, dont les composites.
Analyse clé des matériaux composites !

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprises et de projets.

Un matériau composite est fabriqué en combi- nant deux ou plusieurs matériaux, souvent des matériaux possédant des propriétés très différentes. Ces matériaux « travaillent » ensemble pour donner des propriétés uniques. Dans le composite, on peut facilement distinguer les différents matériaux, car ceux-ci ne se dissolvent pas ou ne se fondent pas.

La famille des plastiques

Dans les secteurs de la fabrication additive et de l’impression 3D, les plastiques font parties des matériaux les plus couramment utilisés. Ils présentent des caractéristiques différentes en termes de propriété fonctionnelle, de couleur, de transparence, de biocompatibilité, de résistance, de rigidité, de dureté, d’élasticité, etc. Par exemple, la stéréolithographie utilise les photopolymères, et plus précisément la catégorie des polymères qui modifient leurs propriétés quand ils sont exposés à la lumière, comme la lumière UV. Ils sont divisés en deux catégories principales, dé nies par leur résistance face à des températures élevées : les thermoplastiques qui peuvent être fondus, refroidis puis refondus, et les matériaux plastiques thermodurcissables, c’est-à-dire les matériaux polymères qui sont liquides ou malléables à des températures basses, mais qui ne peuvent être fon- dus après avoir été formés. Les polymères pour la fabrication additive sont généralement vendus sous forme de poudre ou en lament.

Les thermoplastiques sont la principale catégorie de photopolymères utilisés dans la fabrication additive.

  • L’ABS (acrylonitrile butadiènestyrène) est le plastique utilisé par la marque Lego®. Il est communément choisi en impression 3D pour sa force, sa souplesse, son usinage et sa résistance à des températures élevées.
  • Le PA (polyamide) est le polymère le plus couramment utilisé dans les techniques appelez Powder Bed Fusion et Selective Laser Sintering (SLS). Le nylon est un polyamide synthétique.
  • Le PC (polycarbonate) nécessite une buse à haute température.
  • Le PLA (acide polylactique) est disponible dans des nuances douces et dures. Il est créé à partir de la transformation de produits végétaux comme le maïs, les pommes de terre ou les betteraves à sucre.
  • Le PVA (alcool polyvinylique) est utilisé comme matière de support soluble ou pour des applications spéciales.
  • Le SOFT PLA – PLA DOUX (acide polylactique) est caoutchouteux, flexible et disponible dans des couleurs limitées.
  • Le TPU (polyuréthane thermoplastique) offre de la ténacité, de la résistance et de l’élasticité, en particulier le TPU 92A-ULTEM 9085, développé par Stratasys. Ce dernier est un matériau récent avec un rapport poids / résistance très significatif et intéressant, spécifiquement pour le secteur de l’aérospatiale.

La famille des métaux

Les systèmes de fabrication additive métallique sont capables de produire des éléments fonctionnels de haute qualité à partir d’une variété de métaux.

  • Le cobalt-chrome et des alliages à base de nickel.
  • Le titane et des alliages de titane commercialement purs.
  • Le cuivre et des alliages d’aluminium.
  • Les métaux précieux comme l’or, le platine, le palladium ou l’argent.
  • Les aciers inoxydables.
  • Les aciers à outils.

Les poudres métalliques peuvent avoir différentes tailles et formes (sphériques ou irrégulières) selon les différents procédés de fabrication. Les fabricants de systèmes coopèrent étroitement avec les fournisseurs de matériaux pour développer de nouveaux procédés tout en réduisant la porosité, en renforçant la consistance et garantissant la répétabilité, comme les industries le requièrent.

Les autres familles

D’autres matériaux sont utilisés en fabrication additive, dont la céramique et les résines.

Céramique 
De nombreuses entreprises comme 3D Systems vendent des machines de fabrication additive utilisant des matériaux céramiques, mais aussi des systèmes hybrides pour la céramique et le métal. Ces derniers sont déjà sur le marché. Les secteurs utilisant ces technologies sont principalement le dentaire, le médical, le biomédical, le spatial et l’automobile, mais nous les retrouvons également dans des appareils ménagers. Ces matériaux sont généralement composés d’une poudre résistant à la chaleur, recyclable et garantissant la salubrité des aliments. Les sociétés Materialise et Sculpteo offrent aussi des services d’impression 3D pour les produits à base de céramique.

Résines

La photopolymérisation est devenue une méthode d’impression 3D populaire. Dans une cuve, une source de lumière est utilisée pour durcir les résines photopolymères. La stéréolithographie (SLA) est un processus d’impression en résine qui utilise une cuve de résine photopolymère. Ce procédé est couramment utilisé pour générer des pièces très détaillées, des prototypes non fonctionnels, mais également pour fabriquer des moules dans des applications de moulage d’investisse- ment. Les sociétés Carbon et Sculpteo ont récemment présenté de nouvelles résines.

  • L’EPU (Elastomeric Polyurethane) est un matériau en caoutchouc extensible qui offre une certaine élasticité en dépit d’une large fluctuation des températures.
  • Le FPU (polyuréthane souple) est un matériau semi- rigide offrant un bon impact, une abrasion et une résistance à la fatigue.
  • Le RPU–Carbon offre une famille de trois polyuréthanes rigides (RPU) qui constituent la résine à base de polyuréthane la plus rigide et la plus polyvalente.
  • Le PR (prototypage résine) est recommandé pour la fabrication de petites et moyennes pièces afin de répondre aux exigences de tolérance, de précision et de modelage. Il convient à la fabrication de composants pour les secteurs de l’électronique, de l’automobile et du médical.

Au-delà des plastiques et des métaux, les composites

Alors que des projets de recherche et d’innovation sur de nouveaux plastiques et métaux sont constamment développés, les multimatériaux représentent une récente et nouvelle frontière qui conduit à de multiples applications, avec différentes caractéristiques. Le mélange de matériaux souples et rigides, transparents et opaques, de différentes couleurs permet la fabrication de pro- duits composites, intégrant des propriétés inhérentes aux différents matériaux utilisés. La tendance pour les dix prochaines années montre une pertinence similaire pour les poudres thermoplastiques et métalliques, grâce à une application plus large des techniques allant du prototypage rapide à la fabrication des pièces nies.

Les composites naturels

Les composites naturels existent dans le monde animal et végétal. Le bois est un composite fabriqué à partir de fibres de cellulose longues (un polymère) maintenues en- semble par une substance faible appelée « lignine ». La cellulose se retrouve également dans le coton, mais sans la lignine pour lier le tout, elle est beaucoup plus faible. Les deux substances – la lignine et la cellulose – forment un composite beaucoup plus fort. Le matériau osseux est également composé à partir d’un matériau dur mais délicat appelé « hydroxyapatite » (principalement du phosphate de calcium) et un matériau souple et flexible appelé « collagène » (qui est une protéine). Le collagène se retrouve également dans les ongles des cheveux et des doigts, combiné avec l’hydroxyapatite. Il donne aux os les propriétés nécessaires pour supporter le corps.

Composites anciens

L’humanité crée des composites depuis des milliers d’années. Un exemple précoce est la brique de boue. La boue peut être séchée sous la forme de briques, per- mettant ainsi d’obtenir un matériau de construction. Ce matériau possède une bonne résistance à la compression, mais une faible résistance à la traction, c’est-à-dire qu’il se casse très facilement si l’on essaie de le plier. La paille, quant à elle, est résistante à un mouvement d’étirement, mais elle peut facilement se froissée. En mélangeant de la boue et de la paille, il est possible de fabriquer des briques résistant aux pressions et à la déchirure. Ce matériau composite constitue un excellent bloc de construction.

Un autre composite ancien est le béton, qui est constitué d’un mélange d’agrégats (petites pierres ou gravier), de ciment et de sable. Il possède une bonne résistance à la compression et à l’ébavurage. Plus récemment, il a été constaté que l’ajout de tiges ou de fils métalliques au béton peut augmenter sa résistance à la flexion. Le béton contenant ce type de tiges ou de fils est appelé « béton armé ».

Fabrication de composites

La plupart des composites sont constitués de seulement deux matériaux. L’un est la « matrice » ou le « liant » qui entoure et lie les fibres ou les fragments de l’autre matériau, qu’on appelle le « renforcement ».

Le premier matériau composite moderne a été la fibre de verre, qui est encore largement utilisée aujourd’hui pour les coques de bateaux, les équipements sportifs, les panneaux de construction et de nombreuses carrosseries. Le liant est un plastique et le renforcement est constitué de verres transformés en fils très fins, souvent liés dans une sorte de tissu. Le verre est très fort mais également fragile et peut se briser. Le plastique main- tient les fibres de verre ensemble et les protège contre les dommages en partageant les forces qui agissent sur elles. Certains composites avancés sont maintenant fabriqués à l’aide de fibres de carbone à la place du verre. Ces matériaux sont plus légers et plus résistants que la fibre de verre, mais aussi plus coûteux à produire. Ils sont utilisés dans les structures d’avions et les équipements sportifs coûteux, comme des clubs de golf. Les nanotubes de carbone ont également été utilisés avec succès pour créer de nouveaux matériaux compo- sites. Ceux-ci sont encore plus légers et plus résistants que les composites fabriqués avec des fibres de carbone ordinaires, mais ils sont encore plus chers. Ils offrent cependant la possibilité de concevoir des voitures et des avions plus légers, qui utiliseront moins de carburant que les véhicules lourds actuels. Le nouvel Airbus A380 utilise des composites modernes dans sa conception. Plus de 20 % de l’avion sont composés de matériaux composites, principalement renforcés de plastique avec des fibres de carbone.

Les avantages des composites

Le plus grand avantage des matériaux composites modernes est qu’ils sont à la fois légers et forts. En choisissant une combinaison appropriée de liants et de matériaux de renforcement, il est possible de répondre à des exigences spécifiques. Les composites offrent également une flexibilité de conception car beaucoup d’entre eux peuvent être moulés en formes complexes. L’inconvénient est souvent le coût : bien que le produit final soit plus efficace, les matières premières sont sou- vent coûteuses.

Les composites en fabrication additive

Selon un récent rapport de Smartech, « les matériaux composites sont le segment où les avantages de la fabrication additive, en termes d’automatisation, peuvent avoir le plus grand impact ». Par exemple, pour l’industrie de l’impression 3D en polymère, la capacité d’imprimer des pièces de matériaux composites représente un chemin plus direct vers une production partielle d’utilisation industrielle, y compris des pièces très grandes et à géométries complexes pour des avions légers ou des voitures. Actuellement, les deux principales technologies d’impression 3D qui explorent l’utilisation des composites sont l’extrusion – la modélisation des dépôts condensés – et la fusion sur lit de poudre (PBF), qui consiste principalement en du frittage sélectif par laser (SLS).

Composites par extrusion

L’application la plus pratique de FDM pour la fabrication de composants est liée à l’outillage et à la réalisation de pièces complexes, bien que plus résistantes. Cette technologie permet la production de structures composites très complexes sans assemblage. Par exemple, le matériau ST 130 produit exclusivement par Stratasys est suffisamment solide pour se maintenir lors du traitement en autoclave. C’est aujourd’hui le seul système qui permet l’exploitation des composites à fibres continues en termes de performance mécanique et d’impression 3D en termes de géométrie avancée.

Un fabricant d’imprimantes 3D basé aux États-Unis, MarkForged, a développé une technologie d’extrusion de matériaux capable de placer de la fibre continue – carbone, verre ou Kevlar – entre les couches d’une extrusion. Une partie thermopolymère imprimée en 3D (principalement du nylon) est capable de faire pivoter la fibre afin d’obtenir à la fois des modèles unidirectionnels et des modèles itinérants. C’est aujourd’hui la seule méthode commercialement disponible pour l’impression 3D à l’aide de composites fibreux continus.

D’autres sociétés et instituts de recherche, comme l’université Politecnico de Milan, développent des technologies utilisant des bras robotisés à six axes pour extruder les deux composites fibreux dans un liant de résine thermodurcissable ou résistant aux UV.

De nombreux fabricants d’imprimantes explorent également les possibilités résultant de l’impression 3D de composites à fibres longues (jusqu’à 3 mm), principalement dans une matrice de thermopolymère en ABS ou en nylon. L’application la plus pratique de cette approche a été développée par Cincinnati Incorporated (US), avec sa plate-forme BAAM (Big Area Additive Manufacturing). À l’aide de granulés en fibre de carbone composite en ABS, le laboratoire national Lawrence Livermore a utilisé la machine BAAM pour imprimer toute la carrosserie d’une famille de voitures électriques, en une seule fois. La fibre de carbone a donné aux matériaux thermopolymères de meilleures propriétés mécaniques, mais elle a également réduit le gauchissement en raison des différences de température à travers le processus d’extrusion thermique.

Stratasys a développé un bras robotique de huit axes capable de construire de grandes structures complexes en extrudant du matériau et en le plaçant précisément dans un espace tridimensionnel (photo ci-dessous). Cette plate-forme est actuellement en phase de test chez les partenaires de la société, tels que Ford et Boeing. Plusieurs autres fabricants d’extrusion de matériaux à faible coût développent et utilisent des filaments thermoplastiques à longue fibre hachée, avec de la fibre de nylon et de carbone (avec jusqu’à 20 à 30 % de FC), la plus populaire aujourd’hui.

Composites sur lit de poudre

La fusion sur lit de poudre (PBF) est l’autre secteur où les matériaux composites à fibres courtes coupées (quelques centaines de microns) sont susceptibles de continuer à évoluer de manière significative. Le paysage du marché pour la technologie PBF est très différent, avec des systèmes SLS au prix d’entrée de 200 000 € et plus. Bien que deux acteurs aient dominé le marché pendant près de deux décennies (EOS et 3D Systems), de nouvelles entre- prises avancent à grands pas, comme Prodways et Ricoh. HP, qui a développé sa propre technologie PBF appelée « Multi Jet FusionTM », est également un acteur important. Basée sur un système à jet d’encre thermique, cette technologie prometteuse est jusqu’à dix fois plus rapide que la SLS standard. La machine commence par poser une ne couche de matériaux dans la zone de travail, puis l’impression commence dans la même zone, avec la combinaison des processus de stratification et d’énergie dans un passage continu du deuxième chariot de haut en bas jusqu’à ce que la partie soit formée couche par couche. Cette technologie utilise des encres de pigments HP CMYK. Grâce à cette technologie, HP prévoit de construire des pièces en utilisant dans un premier temps des matériaux thermoplastiques, puis dans le futur, des matériaux céramiques et des métaux.

La démocratisation du marché a conduit de grands groupes chimiques à développer de nouveaux matériaux, en se concentrant principalement sur les fibres de verre (ou les perles de verre) et les composites en nylon à fibre de carbone. Alors que des géants comme Arkema et BASF sont maintenant actifs dans ce segment, le rôle de CRP Group et de sa famille de matériaux Windform pour PBF est en plein essor, avec des applications dans le prototypage et la production de pièces nies.

Le système SLCOM 1 d’EnvisionTEC pour matériaux composites utilise une technologie de laminage et des rouleaux de pré-imprégnés pour produire des pièces en 3D. Une lame de tungstène coupe les couches d’une pièce et un processus à haute température fusionne la matrice thermopolymère, telles que le PEEK, garantissant ainsi une résistance significative de la pièce.

Un autre exemple intéressant est représenté par la gamme Objet-Connex des imprimantes 3D multi-matériaux de Stratasys, qui permet la combinaison de 123 matériaux, dont 90 sont issus d’un mélange composite de matériaux originaux. Les utilisateurs peuvent choisir des matériaux allant de substances rigides à des substances similaires au caoutchouc ou encore un plastique d’ingénierie de qualité ABS avec une dureté, une transparence et des couleurs différentes. Il est possible de combiner jusqu’à 14 matériaux en même temps dans un seul modèle cohérent. Chaque matériau est adapté à un système liquide dédié qui est ensuite connecté au bloc contenant huit têtes d’impression. Chaque tête com- prend 96 buses, chacune mesurant 50 μ de diamètre. Chaque matériau comporte deux têtes d’impression désignées qui fonctionnent en synchronisation.

Bien que les applications soient nombreuses, un autre exemple très utile est lié à l’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA), appelé « fantôme imitant » : il s’agit d’une reproduction tridimensionnelle de la partie du corps humain. Dans cet exemple, la fabrication additive multimatérielle est utilisée pour valider les modèles numériques et les modalités d’imagerie en remplaçant les procédés de coulée utilisés habituellement pour reconstruire la géométrie d’un vaisseau en 3D à partir de tomographie par ordinateur. Les méthodes traditionnelles sont maintenant progressivement remplacées par des procédés d’impression 3D impliquant des multimatériaux et qui s’avèrent moins invasifs. Selon le fabricant, « les matériaux imprimés en 3D ont des propriétés de résistance similaires aux élastomères de polydiméthylsiloxane (PDMS) et au tissu AAA ».

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Gaëtan Lefèvre

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