Jusqu’à présent, nous avons couvert certains des aspects les plus importants de la production de fibre de carbone et comment la fibre de carbone continue se compare à l’encoche des premières formes d’impression 3D en fibre de carbone. Cependant, il existe des méthodes nouvelles et émergentes pour l’impression 3D de composites.

Objets impossibles CBAM

Après des années de recherche, Impossible Objects, basé dans l’Illinois, a commencé à commercialiser son procédé de fabrication additive à base de composites (CBAM). En CBAM, un matériau de liaison est déposé sur des feuilles de matériau de renforcement avant d’être inondé de poudre thermoplastique adhérant uniquement au matériau de liaison. La poudre est ensuite soufflée ou aspirée. La seule chose qui reste est la matrice plastique sur une feuille de fibre de renforcement.

Le même processus se poursuit couche par couche avec ces feuilles empilées les unes sur les autres. La pile est finalement comprimée et déplacée dans un four qui fait fondre la matrice en plastique ensemble. Une fois l’objet retiré du four, le matériau de matrice en excès est éliminé à l’aide d’un bain chimique ou de sable plastique et laisse le dernier objet.

Les matériaux de renforcement vont de la fibre de carbone et de la fibre de verre au polyester, à l’alcool polyvinylique, au PLA et même à la soie et au coton. La diversité du matériau de la matrice est potentiellement beaucoup plus large que les autres procédés d’impression 3D en raison du fait que la poudre ne fond pas lorsqu’elle est déposée initialement. Actuellement, la société a démontré l’utilisation du PEEK et du nylon 12, mais développe un élastomère à utiliser dans CBAM avec d’autres matériaux.

Partie d’implant de tige fémorale imprimée en 3D en composite PEEK en fibre de carbone.

Les articles imprimés à l’aide de cette technologie peuvent être jusqu’à 10 fois plus résistants que les pièces fabriquées via la modélisation de dépôt par fusion (FDM). L’imprimante 3D CBAM-2 est capable d’imprimer à l’aide de 12 feuilles de 12 ix, mais le fondateur de la société, Robert Swartz, envisage la possibilité d’imprimer des pièces aussi grandes que des bouchons de voiture entiers et des vitesses allant jusqu’à 100 mètres par . Minut.

Les géométries sont limitées par la finition requise. Le sablage limitera la complexité des formes car les géométries internes seraient difficiles d’accès. Les processus chimiques permettent des structures plus complexes car l’excès de matériau se dissout.

Bien que le CBAM ne puisse pas produire des pièces aussi solides que celles fabriquées à l’aide de la fabrication composite traditionnelle, il peut probablement fabriquer des composants plus complexes plus rapidement que ceux produits par des techniques traditionnelles. Et cela peut se passer de tout le travail manuel impliqué.

CBAM-2 est encore nouveau sur le marché après son lancement en mai 2019 avec des livraisons attendues au 3ème trimestre de cette année. Cependant, aucune nouvelle sur les expéditions initiales n’a encore été publiée. Nous savons que le système phare Model One de Impossible Objects a été distribué à des clients, notamment Ford Motor Company et Jabil.

CEAD

Deux des anciens co-fondateurs des imprimantes 3D Leapfrog, Lucas Janssen et Maarten Logtenberg, ont quitté le secteur de l’impression 3D de bureau pour développer une imprimante 3D en fibre de carbone continue. En créant une société appelée CEADgroup, le duo a travaillé pour créer quelque chose de grand, rapide, fiable et capable de produire des pièces solides.

Le résultat a été la fabrication additive continue de fibres (CFAM), un processus qui, selon l’entreprise, permet d’imprimer en 3D des pièces de 4 mx 2 mx 1,5 m à une vitesse de 15 kg par heure. Les vitesses de dépôt rapides sont obtenues en utilisant une extrudeuse industrielle et une trémie pour le traitement des granulés de plastique, comme dans l’industrie du moulage par injection. Les matériaux matriciels pouvant être imprimés jusqu’à présent comprennent le PET, le PP, l’ABS et le PEEK. Les matériaux de renforcement sont limités à la fibre de carbone et à la fibre de verre, mais la société espère s’étendre pour inclure des fibres de verre optique, de cuivre et d’acier.

Le CEAD affirme que CFAM est capable d’augmenter la résistance d’une pièce six fois par l’incorporation d’un renforcement continu de fibres, mais la nature exacte par laquelle le matériau de renforcement est introduit dans l’impression n’a pas encore été décrite, laissant place au scepticisme.

Arevo

Arevo est une start-up de la Silicon Valley (partiellement soutenue par In-Q-Tel de la CIA) qui a développé une méthode d’impression laser sur fibre de carbone. Le processus dépose un filament de fibre de carbone continu pré-imprégné et le chauffe simultanément avec un laser avant qu’un rouleau le comprime sur la surface du bâtiment.

La tête de dépôt est montée sur un axe robotique multi-axes, permettant l’impression 3D dans n’importe quelle direction qui convient le mieux à la conception de la pièce, compensant ou bénéficiant de l’anisotropie de la fibre de carbone. Le logiciel développé par Arevo permet également d’optimiser la conception grâce à l’utilisation de la simulation.

Jusqu’à présent, Arevo a démontré les capacités de sa technologie d’élimination directe d’énergie (DED) en fabriquant des cadres de vélo pour plusieurs entreprises. Récemment, il s’est associé à AGC du Japon pour fournir la production en tant que service.

Composites continus

Une autre startup qui développe une méthode d’impression 3D de fibre de carbone continue est Continuous Composites, basée dans l’Idaho. Sa méthode d’impression 3D en fibre continue (CF3D) alimente un rouleau de fibre de carbone sèche dans une tête d’impression montée sur un robot industriel à sept axes. À l’intérieur de la tête d’impression, la fibre est imprégnée d’une résine photopolymère à durcissement rapide, puis extraite par l’effecteur terminal et durcie instantanément avec une puissante source d’énergie.

Comme la technologie robotique d’Arevo, le bras à sept axes permet à la fibre d’être orientée dans tout ce qui est nécessaire pour surmonter ou tirer parti des propriétés anistropiques du matériau. Contrairement à Arevo, la fibre de carbone sèche est utilisée comme matière de départ, ce qui améliore potentiellement les propriétés physiques de la dernière pièce et ouvre les nombreux matériaux de matrice disponibles. Fait intéressant, le durcissement de la résine permet également au processus CF3D d’être imprimé dans l’air.

Les matériaux de renforcement qui ont été développés jusqu’à présent comprennent: la fibre de carbone, la fibre de verre, le Kevlar, le fil de cuivre continu, la fibre optique continue, le fil de nichrome et le carbure de silicium. Alors que la fibre optique peut être utilisée pour intégrer des capteurs dans une pièce, le fil de cuivre permet l’incorporation de l’électronique et le nichrome peut générer de la chaleur pour les applications de dégivrage.

Continuous Composites développe un changement d’outil automatisé pour remplacer les têtes d’impression remplies de différentes fibres et résines. Les résines sont développées avec des clients potentiels, mais jusqu’à présent, la société a créé un plastique durable et résistant aux UV avec une température de transition vitreuse élevée et un matériau qui répond aux exigences de la Federal Aviation Administration en matière de fumée, d’incendie et de toxicité.

Renforcer

Comme mentionné dans notre article précédent de la série, la fibre de carbone hachée est plus faible que la fibre de carbone continue. Cependant, Fortify est une startup qui a trouvé un avantage unique pour la nature segmentée du matériau avec sa technologie de fabrication numérique composite (DCM).

DCM est un nouvel enregistrement de traitement numérique de la lumière (DLP) dans lequel un projecteur est utilisé pour durcir la résine photopolymère. Dans le cas du DCM, le liquide est rempli d’additifs de renforcement, tels que de la fibre de carbone hachée, qui sont ajustés au moyen d’un champ magnétique pendant le processus d’impression.

D’autre part, il est possible d’orienter l’additif là où il est nécessaire d’obtenir des propriétés physiques optimales à travers une pièce. DCM peut produire des pièces avec la même complexité géométrique que les composants DLP standard, mais avec moins de structures de support et des porte-à-faux plus grands.

Jusqu’à présent, la société en est encore à ses débuts, fabriquant des pièces pour des clients potentiels, mais les matériaux de renforcement développés jusqu’à présent comprennent la fibre de carbone, la fibre de verre et un additif céramique à haute température. En particulier, l’entreprise considère sa technologie comme précieuse pour les outils de moulage par injection.

Tous les autres

En dehors des startups mentionnées dans cette série, il existe des entreprises et des instituts de recherche plus établis qui font des choses intéressantes avec la fibre de carbone. En 2016, EnvisionTEC (inventeurs du DLP) a dévoilé une imprimante 3D massive qui serait capable d’imprimer des composites en 3D. Cependant, nous n’en avons plus entendu parler depuis, alors on se demande s’il existe vraiment. Stratasys développait également à un moment donné une méthode d’impression 3D en fibre de carbone avec Siemens, mais il n’y a eu aucune mise à jour sur ce front non plus.

Le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) travaille également constamment sur le matériau et a déjà contribué au développement de la fabrication additive de grande surface proposée par Cincinnati Incorporated. Ce processus implique un dépôt rapide de plastique rempli de fibres hachées jusqu’à une forme presque nette et était responsable de l’impression 3D d’une réplique Shelby Cobra ainsi que de véhicules de Local Motors. Une autre version de ce processus a été créée par Thermwood, et Ingersoll aurait travaillé avec ORNL sur un système encore plus grand en 2016, mais aucune mise à jour n’a encore été fournie.

Dans cette série, nous avons essayé de fournir une vue d’ensemble de la fibre de carbone et de son application à l’impression 3D. Nous n’avons peut-être pas tout couvert, il se peut donc qu’il y ait des développements que nous avons manqués. Faites-nous savoir et espérons que nous continuerons avec cette série!

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