Magazine Jeudi 27 mai 2021 - 19:04

Les matériaux composites : la rencontre entre la réalité et les affaires

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Les composites font partie des matériaux très en vogue des technologies de fabrication additive. Leurs avantages industriels de conductivité, de résistance, de ténacité ou encore de rigidité font de ces outils des matériaux indispensables aux nouveaux objectifs industriels comme la décarbonisation de l’industrie ou l’allègement des transports. Présentation du marché des composites !

Bien que la définition de la fabrication additive soit universellement acceptée et approuvée par les principaux organismes de standardisation, celle-ci comprend une série de procédés et de technologies diversifiés et liés spécifiquement aux matériaux – dont les composites font partie. Le paysage des matériaux est extrêmement varié et le choix ne cesse de croître. En 2020, la base de données Senvol a répertorié plus de 2 245 matériaux différents, un chiffre en forte évolution puisqu’il était de 1 700 en 2019. L’offre de matériaux est extrêmement importante pour le polymère et le métal, loin devant les composites. Les autres matériaux – céramique, cire et sable – sont moins prisés. Concernant les procédés, la technologie de fusion métal sur lit de poudre (Powder Bed Fusion – PBF) offre le plus grand choix de matériaux, suivie par la photopolymérisation en cuve de polymère (VPP) puis par l’extrusion de matériaux (MEX). Cette offre n’est pas corrélée avec l’utilisation des procédés. Concernant les matériaux composites, l’offre se situe principalement sur la technologie d’extrusion de matériaux, avec 106 matériaux sur les 191 qui sont sur le marché (voir le tableau 2, réalisé par Senvol)

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Le paysage de matériaux

La famille des plastiques

Les polymères sont les matériaux les plus couramment utilisés en fabrication additive et impression 3D. Ils offrent de nombreux avantages et des caractéristiques différentes selon leurs propriétés fonctionnelles, les couleurs, la transparence, la biocompatibilité, la résistance, la rigidité, la dureté, l’élasticité, etc. Ils sont généralement divisés en deux catégories définies en fonction de leur comportement à des températures élevées : les thermoplastiques (qui peuvent être fondus, refroidis puis de nouveau fondus) et les matières plastiques thermodurcissables, des matériaux polymères qui sont liquides ou malléables à des températures basses, mais qui ne peuvent pas être fondus une fois qu’ils ont été formés.

Les thermoplastiques, qui sont les principaux photopolymères utilisés en fabrication additive, comprennent : l’ABS (acrylonitrile butadiène-styrène), le PA (polyamide), le nylon (un polyamide synthétique), le PC (polycarbonate), le PLA (acide polylactique) – issu de la transformation de produits végétaux comme le maïs, les pommes de terre ou les betteraves à sucre –, le PVA (alcool polyvinylique), le SOFT PLA ou PLA DOUX (acide polylactique) ou encore le TPU (polyuréthane thermoplastique)

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La famille des métaux

La fabrication additive permet de concevoir des pièces fonctionnelles, de haute qualité, à partir d’une variété de matériaux métalliques comme le cobalt-chrome ou des alliages à base de nickel, le titane ou des alliages de titane commercialement purs, le cuivre (le cuivre pur étant au cœur du développement de procédés de plusieurs sociétés), des alliages d’aluminium  les aciers inoxydables, les aciers à outil ou encore des métaux précieux (or, platine, palladium, argent). Les superalliages sont également développés pour être utilisés en fabrication additive. Ces propriétés les rendent particulièrement adaptés à une utilisation dans des applications difficiles, répondant parfaitement aux besoins des secteurs de l’aéronautique, du spatial, de l’automobile ou encore de la chimie. Jusqu’à maintenant, ces matériaux étaient peu utilisés avec les systèmes de fabrication additive.

Les autres familles de matériaux

Exception faite des composites – que nous aborderons après –, les matériaux en fabrication additive comprennent également les céramiques, très utilisées dans les secteurs dentaire, médical, biomédical, spatial ou encore automobile. Ces matériaux sont généralement composés d’une poudre résistant à la chaleur, recyclable et garantissant la salubrité des aliments. À plus faible utilisation, la cire, le sable ou encore le verre sont des matériaux imprimables.

Les matériaux composites

Définition des composites

Parallèlement au développement des polymères et des métaux, les matériaux composites jouent un rôle de plus en plus important dans le secteur de la fabrication additive. Ceux-ci sont définis par leur fabrication réalisée à partir d’au moins deux composants. Ils offrent ainsi des propriétés différentes de celles d’origine. Les deux éléments principaux sont généralement nommés « liant » et « renfort », ou encore « matrice » et « charge ». Les composites les plus couramment utilisés sont des polymères renforcés ou chargés de fibres de carbone, de fibres de verre, ou encore de Kevlar. Les charges sont ajoutées afin d’améliorer les caractéristiques propres des matériaux de base, qu’il s’agisse de conductivité, de résistance, de ténacité ou de rigidité. Elles sont recouvertes d’une matrice, souvent un époxy ou un thermoplastique, pour conserver sa structure. Les composites offrent des caractéristiques synergiques qui résultent de la combinaison de matériaux. Ils offrent ainsi des propriétés surpassant de loin les thermoplastiques classiques, tout en conservant une faible densité. Ils peuvent même concurrencer le métal, de nombreuses couches de fibre de carbone pouvant se révéler plus résistantes que l’acier pour un dixième de son poids.

Couches successives et fibres continues

Une imprimante 3D se déplace dans un espace tridimensionnel pour créer des objets 3D : tout point de l’espace peut être localisé et décrit par trois coordonnées, communément appelées « X », « Y » et « Z ». Chacune de ces coordonnées linéaires fournit des informations autour d’une seule direction, ou axe, et est perpendiculaire aux deux autres. Alors qu’un seul axe peut indiquer avec succès une position le long d’une ligne, avec trois axes, il est possible de situer n’importe quel objet dans l’espace. C’est pourquoi, chaque système d’impression 3D nécessite généralement au moins trois axes orthogonaux différents pour pouvoir créer des objets en trois dimensions. Le processus de dépôt couche par couche dépend fortement du mouvement des axes, qui a une influence directe sur l’objet imprimé, y compris la qualité et la vitesse.

Le système de coordonnées X-Y-Z est connu sous le nom de « système cartésien », du nom du mathématicien René Descartes. En impression 3D, ces coordonnées déterminent la position de la buse d'extrémité chaude, qui est déplacée par différents rails et systèmes d’entraînement. Le mouvement latéral d’une imprimante 3D est généralement attribué aux axes X et Y, tandis que l'axe Z correspond à un mouvement vertical. Par cette convention, chaque couche est déposée par une combinaison du mouvement X et Y, tandis que le mouvement Z est responsable du déplacement des couches à une hauteur prédéfinie. Un aspect intéressant, spécifique des systèmes de fabrication additive et des composites, est que les fibres ne se croisent pas d'une couche à l'autre, ce qui signifie que les qualités des matériaux s'améliorent dans la direction X-Y et non dans la direction Z. Les machines d'extrusion de matériaux sont capables d'imprimer des polymères contenant des fibres coupées, comme les systèmes d'Arevo, de German Rep Rap et de Stratasys, offrant de nombreux avantages des composites conventionnels.

Le marché des composites

Le développement des marchés des composites

La taille du marché mondial des composites devrait passer de 74 milliards de dollars en 2020 à 112,8 milliards de dollars d’ici 2025, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 8,8 %. L’industrie des composites bénéficie de l’augmentation de la demande de matériaux haute performance à l’échelle mondiale, même si celle-ci devrait diminuer en 2020 en raison de la crise sanitaire de la Covid-19. Cependant, la reprise des industries stimule la demande, en particulier dans la région APAC (Asie-Pacifique), avec la reprise des économies chinoise et indienne, la résurgence de L'industrie des composites bénéficie de l'augmentation de la demande de matériaux haute performance à l'échelle mondiale. la demande de composites en fibre de verre et la croissance de l’activité, notamment pour les principaux opérateurs comme Teijin Ltd. (Japon), Toray Industries, Inc. (Japon) et Jushi Group (Chine). Le marché nord-américain reste leader dans le secteur, notamment grâce à l’adoption croissante de pièces imprimées en 3D dans les industries aérospatiale et médicale. En Europe de l’Ouest, la croissance de ce marché est également tirée par l’adoption accrue des technologies additives dans les mêmes secteurs. En outre, l’augmentation du volume des voyages de passagers par avion a poussé les compagnies d’aviation commerciale à développer leur flotte, accroissant ainsi la demande de matériaux composites imprimés en 3D.

Selon Quince Market Insights, la taille du marché mondial des matériaux composites imprimés en 3D a atteint 91,3 millions de dollars en 2020. Il devrait atteindre 628,5 millions de dollars d’ici 2028. En termes de volume, il est prévu que le marché mondial des matériaux composites d’impression 3D s’élèvera à 8 545,7 MT d’ici 2028. Les régions d’Amérique du Nord et d’Europe de l’Ouest regroupaient environ les deux tiers du marché mondial des matériaux composites d’impression 3D en 2019. La tendance devrait se poursuivre ! Le principal développement du marché des composites est dû à son adoption dans les principaux secteurs d’applications comme l’aéronautique, la défense, l’automobile et le médical pour la fabrication de pièces complexes. L’industrie de l’automobile et du transport détient la plus grande part du marché des composites en termes de volume. Et ce phénomène se renforce à mesure que de nouveaux moyens de transport se développent, comprenant la mobilité électrique (terrestre et aérienne), la mobilité personnelle et le transport aérien personnel. Le rapport poids/résistance des pièces requis pour assurer un niveau viable d’efficacité et de kilométrage, pousse le développement et l’usage des matériaux composites. Celui-ci pourrait remplacer peu à peu le métal.

La hausse de consommation des composites renforcés de fibres pourrait également entraîner une plus grande utilisation des polymères non chargés, principalement en diminuant les coûts des matériaux grâce à des capacités de débit matériel plus importantes. Tous ces éléments contribuent à une croissance globale significative de ce segment. L’industrie de la fabrication additive s’engage à se conformer à des réglementations strictes telles que les normes Corporate Average Fuel Efficiency (CAFE) et les normes européennes d’émission (EES) des gouvernements américain et européen, pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2), qui ont un effet néfaste sur le climat mondial. Les constructeurs se concentrent donc sur la production de véhicules légers avec des composites, pour se conformer aux réglementations gouvernementales et améliorer le rendement énergétique des véhicules.

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Un marché bousculé

Le marché des composites a toutefois connu – comme de nombreux secteurs – une année 2020 un particulière qui a entraîné une baisse de sa croissance. Les raisons sont multiples.

L’impact de la Covid-19 sur le marché mondial des composites. La crise sanitaire de la Covid-19 a eu un impact négatif sur la demande de composites dans diverses industries d’utilisation finale telles que l’aérospatiale et la défense, l’automobile et le transport, l’énergie éolienne, la construction et l’infrastructure. Les perturbations des chaînes d’approvisionnement ont entraîné des retards de livraisons des matières premières. Les perturbations des flux financiers et l’absentéisme croissant des travailleurs ont contraint les constructeurs aéronautiques et automobiles à opérer avec des capacités plus faibles.

Le manque de standardisation des technologies de fabrication est une contrainte majeure pour le marché des composites. Les coûts de fabrication et de développement non récurrents continuent de limiter la pénétration des composites dans plusieurs applications. L’absence de normalisation des matériaux et des méthodologies oblige les fabricants à envisager des conceptions conservatrices, ce qui, globalement, freine une adoption à plus grande échelle de la fabrication additive dans la production.

Positionnement des fibres de carbone et des fibres de verre sur le marché des composites

Le marché des matériaux composites imprimés en 3D est généralement segmenté en fibre de carbone, fibre de verre, fibre d’aramide et fibre de graphène. Parmi ceux-ci, les composites en fibre de carbone représentaient, en 2019, plus de la moitié du marché mondial des matériaux composites imprimés en 3D. Le coût des fibres de carbone est proportionnel au coût des matières premières précurseurs à partir desquelles elles sont obtenues. Actuellement, celles-ci sont obtenues à partir de polyacrylonitrile (PAN), dont le coût dans les applications aérospatiales est élevé. Le développement de précurseurs à faible coût et à haut rendement pour la fabrication de fibres de carbone de qualité aérospatiale est susceptible de réduire considérablement le coût des fibres de carbone, entraînant ainsi la pénétration des composites de fibres de carbone dans diverses applications, telles que l’aérospatiale et l’automobile.

Les composites en fibre de verre ont dominé l’industrie mondiale des composites en termes de volume et de valeur. Les fibres de verre sont très demandées car elles sont peu coûteuses et possèdent des propriétés physiques et mécaniques supérieures telles que résistance, durabilité, flexibilité, stabilité et légèreté. Les composites en fibre de verre sont principalement utilisés dans les segments de l’énergie éolienne, des tuyaux et des réservoirs, de l’électricité, de l’électronique, de la construction et des infrastructures.

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