Les matériaux composites renforcés utilisés dans l'impression 3D Les matériaux composites renforcés utilisés dans l'impression 3D

Qu'est ce qu'un matériau composite ?

Les thermoplastiques sont des matériaux d’impression 3D populaires en raison de leurs propriétés chimiques stables lorsqu’ils sont chauffés. Ils peuvent être facilement fondus, extrudés couche par couche et refroidis pour former des modèles.

Cependant, les thermoplastiques ont généralement un point de fusion bas et ne sont pas assez solides ou rigides pour fabriquer des articles qui nécessitent une plus grande résistance.

Les matériaux composites ont été appliqués au domaine de l’impression 3D pour produire des pièces mécaniques plus résistantes. Par rapport aux thermoplastiques traditionnels (tels que l’ABS ou le PLA), les matériaux composites sont plus solides, plus rigides, plus résistants à la chaleur et plus durables, ce qui élargit les domaines d’application de l’impression 3D.

Ils sont généralement fabriqués en mélangeant deux matériaux ou plus, tels que le polymère, les matières non-métalliques ou métalliques. Lorsque ces matériaux sont mélangés, ils conservent leurs caractéristiques chimiques et génèrent d’autres qu’ils n'avaient auparavant.

Les plus couramment utilisés dans l'impression 3D sont les matériaux composites renforcés de fibres, à savoir la fibre de carbone, le Kevlar, la fibre de verre, etc. La figure 1 compare les propriétés mécaniques des matériaux composites à celles d'autres matériaux.

Un matériau composite renforcé par des fibres est composé d'une matrice de base et de fibres de renforcement (comme le montre la figure 2). La matrice est le cœur du matériau composite, et le matériau de renforcement peut améliorer considérablement les performances du matériau. 

Il peut s'agir d'une fibre, d'une charge granulaire ou d'une charge dispersée. Mais les fibres elles-mêmes sont aussi fragiles que des spaghettis et faciles à casser, elles sont donc généralement enroulées ou tissées dans le matériau de la matrice pour former un nouveau matériau et présenter les propriétés à la fois de la matrice et du matériau de renforcement. Dans le contexte de l'impression 3D, le matériau composite renforcé par des fibres peut prendre deux formes différentes : des fibres coupées et des fibres continues.

Les fibres coupées sont des fibres tranchées en morceaux de moins d'un millimètre de long, puis mélangées à des thermoplastiques traditionnels pour former des particules plastiques chargées. Ces particules sont ensuite mélangées et extrudées en filaments qui peuvent être appliqués aux imprimantes 3D FDM. Habituellement, le nylon ou l'ABS sont utilisés comme matériaux de base pour les fibres coupées.

Les fibres continues adoptent une autre méthode différente de mélange des matériaux, qui s'effectue simultanément pendant le processus d'impression 3D. L'imprimante dispose généralement de deux buses d'impression, extrudant le thermoplastique comme matériau de matrice, et la fibre longue enduite d'un agent de durcissement est chauffée et extrudée par une autre buse auxiliaire.

La fibre longue est fusionnée avec la matrice thermoplastique pour imprimer directement le modèle. Ce procédé est appelé Fabrication de Fibres en Continu (Continuous Fiber Fabrication ou CFF). Le CFF consiste à envelopper les fibres longues dans un matériau thermoplastique ou une résine et à les répartir uniformément sur chaque couche du modèle imprimé en 3D, un peu comme des biscuits sandwichs.

Avantages et inconvénient des fibres continues

Les fibres continues peuvent absorber et répartir le stresse sur toute la longueur lorsqu'elles sont étirées ou pliées. Les matériaux de renforcement, tels que les fibres, sont enveloppés dans une matrice thermoplastique, de sorte que l'ensemble du filament peut supporter des charges plus élevées et absorber des impacts plus importants. Les filaments ont des propriétés mécaniques supérieures, atteignant une résistance similaire à celle de l'aluminium avec une excellente solidité et une résistance aux chocs.

Les modèles imprimés avec des matériaux composites sont beaucoup plus légers que les modèles fabriqués avec de l'aluminium et d'autres métaux. La figure 3 montre les propriétés physiques de la fibre de carbone et de la fibre de verre par rapport à l'acier.

Lorsque vous imprimez un modèle, vous pouvez placer des fibres continues couche par couche dans une zone spécifique du modèle (comme la pointe et la base du modèle), améliorant ainsi les performances du modèle dans cette zone. C'est l'un des principaux avantages des matériaux composites d'impression 3D en continu par rapport aux matériaux en fibres coupées.

Vous pouvez également choisir différents matériaux de matrice thermoplastique (tels que le nylon, l'ABS ou le PLA) en fonction de vos besoins. Cela permettra d'obtenir des caractéristiques matérielles différentes du modèle sous divers aspects, comme une meilleure finition de surface et une plus grande précision d'impression.

Cependant, les fibres continues présentent également certains inconvénients. Tout d'abord, la résistance du filament ne peut pas être améliorée verticalement. Le processus de fabrication en fibres continues adopte une méthode de fusion en “sandwich", ce qui affecte la force de liaison entre les couches dans le sens vertical du modèle.

Deuxièmement, les petites caractéristiques du modèle ne peuvent pas être recouvertes de fibres continues, ce qui fait que la résistance de cette zone est inférieure à celle des autres zones, ce qui signifie que la résistance globale du modèle n'est pas répartie de manière uniforme.

Troisièmement, comme la fibre de la matrice est enveloppée dans un thermoplastique, certaines de ses caractéristiques seront sous la surface. Par exemple, le filament de fibre de carbone renforcé est enveloppé par une résine thermoplastique ou thermodurcissable, de sorte que l'utilisateur ne peut pas profiter de la conductivité unique de la fibre de carbone.

La résistance à l'abrasion du thermoplastique enveloppé est inférieure à celle de la fibre de carbone. Enfin, la fabrication de fibres en continu nécessite plusieurs buses et bobines de filaments, ce qui augmente considérablement le coût de l'équipement et du matériel.

Avantages et inconvénient des fibres coupées

Les fibres coupées sont généralement broyées ou hachées en fibres courtes d'un diamètre de 5 à 10 microns et d'une longueur de 50 à 250 microns, qui sont mélangées à d'autres matériaux thermoplastiques et transformées en un faisceau de fibres composites mélangées uniformément.

Différents fournisseurs mélangent des fibres de renforcement ayant des poids spécifiques différents dans leurs plastiques pour produire des filaments ayant des résistances différentes. Par exemple, la fibre de carbone renforcée représente 5 à 35 % du poids total.

Comme les fibres coupées sont créées par un mélange uniforme de fibres de renforcement et d'autres matériaux thermoplastiques, elles sont plus uniformes et présentent des caractéristiques plus stables. Par exemple, la force, la rigidité, la durabilité et la résistance à la chaleur des fibres hachées peuvent être améliorées de façon constante.

La figure 4 montre la fibre de carbone renforcée prise à courte distance.

Lorsque la fibre de renforcement est mélangée uniformément avec d'autres matériaux thermoplastiques, sa résistance et sa rigidité s'améliorent. L'ensemble du modèle imprimé avec ce filament de fibre renforcée deviendra plus solide et plus rigide. Le mélange de fibres de renforcement avec des matériaux peu performants peut améliorer les propriétés mécaniques globales des filaments, augmentant ainsi la résistance aux contraintes du modèle.

Par exemple, le mélange de fibre de carbone et de thermoplastique peut augmenter la stabilité thermique du modèle. La fibre de carbone ayant un faible coefficient de dilatation thermique, elle peut réduire efficacement le gauchissement pendant l'impression. La fibre de carbone peut également aider les modèles imprimés à résister aux environnements à haute température et à prévenir la déformation du modèle.

Les fibres coupées présentent d'autres avantages. Par exemple, elles sont plus résistantes à l'usure. Ainsi, ces dernières présentent une meilleure résistance grâce à un mélange homogène du matériau de la matrice et du matériau de renforcement.

Deuxièmement, la fibre coupée conserve les caractéristiques d'une variété de matériaux. Par exemple, la fibre de carbone peut assurer la conductivité globale du modèle qui nécessite une conductivité. La fibre de carbone a une meilleure résistance à l'usure car la partie extérieurement usée devient du graphite, ce qui protège la surface de friction et réduit le coefficient de friction.

Lors de l'impression avec des fibres coupées, les détails du modèle peuvent également être recouverts uniformément par des fibres coupées afin de garantir les caractéristiques générales du modèle.

Une imprimante 3D spéciale n'est pas nécessaire pour imprimer de la fibre coupée. Elle peut être imprimée sur n'importe quelle imprimante FDM.

Il est important de savoir que le filament de fibre de carbone ne contient généralement que 5 à 35 % de fibre de carbone. Les filaments deviennent rugueux s'ils contiennent trop de fibres de carbone, et l'état de surface du modèle sera rugueux. L'utilisation d'un filament contenant trop de carbone augmente le risque de blocage et d'usure des composants de l'extrudeuse pendant le processus d'impression.

Raise3D crée un nouveau choix pour l'impression de fibres de carbone

Raise3D a lancé l'E2CF, une imprimante de bureau professionnelle pour l'impression de filaments renforcés de fibres de carbone, et a également sorti un filament PA12 en fibre de carbone dédié, à utiliser avec le principal fabricant de filaments BASF.

L'E2CF utilise une buse et un système d'alimentation très résistants à l'usure. L'extrudeuse et la buse ont une fonction et une machinerie améliorées. Les utilisateurs peuvent imprimer des pièces de haute qualité, résistantes à l'usure et aux propriétés mécaniques supérieures avec les filaments PA12 CF.

Les modèles obtenus présentent un excellent état de surface et ne nécessitent pratiquement aucun post-traitement. Toutes ces caractéristiques font du PA12 CF un choix idéal pour les dispositifs de fixation, les outils d'ingénierie et diverses pièces industrielles d'utilisation finale.

Maintenant que vous avez acquis les connaissances de base sur les matériaux composites, vous comprenez également les avantages et les précautions des fibres coupées et des fibres continues couramment utilisées dans l'impression 3D.

Vous pouvez choisir les filaments et les méthodes d'impression correspondants en fonction de vos besoins lors de l'impression du modèle. Non seulement vous pouvez obtenir un modèle plus solide avec des performances mécaniques plus élevées, mais vous pouvez également élargir votre compréhension des matériaux composites afin de pouvoir choisir des matériaux plus adaptés dans le futur processus d'impression.