Dossier du numéro de janvier/février 2024 de 3D ADEPT Mag. Les entretiens et perspectives sont conservés dans leur contexte de publication.
L’impression 3D métal a prouvé à maintes reprises son efficacité dans de nombreuses applications, si bien qu’elle est presque toujours citée comme la voie à suivre dans les applications exigeantes. L’une des principales limites que les experts déplorent souvent est son coût élevé par rapport à d’autres techniques de fabrication additive (FA), en particulier lorsqu’il s’agit de production de masse. Cela incite les équipementiers à explorer les capacités de la FA avec d’autres matériaux qui pourraient potentiellement servir d’alternatives aux métaux.
Une catégorie qui mérite d’être mentionnée aujourd’hui est celle des composites, qui bénéficient des connaissances acquises dans la fabrication conventionnelle, notamment le moulage et le placement de fibres. Cependant, lorsqu’ils sont combinés à la FA, quelques points doivent être pris en compte : Quel type de matériau serait une bonne alternative aux pièces métalliques imprimées en 3D ? Pour quel objectif de fabrication ? Y a-t-il des choix spécifiques de fabrication et de conception à prendre en compte ? L’article ci-dessous tente de répondre à ces questions.
Nous avons déjà eu une première introduction à l’impression 3D de matériaux composites et aux premières étapes à suivre lorsqu’on travaille avec cette jeune branche de la FA. Les sociétés de FA peuvent l’appeler “la branche la plus jeune de la FA“, mais pour moi, les composites sont comme les alliages. Je trouve fascinant de voir le nombre de matériaux qui peuvent être combinés pour offrir une gamme spécifique de propriétés physiques et chimiques – et former au final un seul matériau qui sera imprimé en 3D pour fabriquer une pièce.
Cette analogie souligne la combinaison de propriétés ; un composite à fibres conserve toutefois une matrice et un renfort distincts. Il ne se confond pas avec un alliage métallique.
Les applications de la FA dont nous avons déjà été témoins avec les composites montrent que ces matériaux offrent des possibilités d’allègement – ce qui est la marque de fabrique de la FA – et, ce qui est intéressant, la possibilité de construire sur un outil personnalisé.
Fibres continues et fibres coupées
Par ailleurs, l’un de nos premiers dossiers sur les composites révèle que deux types de fibres de renforcement sont compatibles avec la technologie de FA : les fibres coupées et les fibres continues. Selon Michele Tonizzo, cofondateur de Moi Composites, une entreprise spécialisée dans la fabrication additive de composites à fibres continues, « d’un point de vue structurel, les performances obtenues grâce à l’utilisation de composites à fibres continues sont imbattables, avec une résistance à la traction supérieure à 1,5 GPa (*1) et atteignant 30 fois celles des polymères renforcés par des fibres coupées (*2).
Malheureusement, la limitation intrinsèque d’avoir une pièce cohérente et toujours solide pendant l’extrusion limite les complexités géométriques que l’on peut obtenir en utilisant seulement une approche mono-matériau. C’est pourquoi l’approche mise au point par Markforged et Anisoprint, et étendue en trois dimensions par Moi Composites, est la meilleure découverte à ce jour. En déposant des matrices non renforcées, ou renforcées par des fibres hachées, capables de décrire des géométries complexes, et des matrices renforcées par des fibres continues uniquement aux endroits stratégiques, ce qui permet également de réduire les temps d’impression, il est possible d’obtenir des pièces structurelles présentant des géométries complexes telles que des cavités et des renforts internes.
L’approche conçue par Moi Composites porte cette idée à un niveau tridimensionnel. En fait, en tirant parti de la liberté multiaxiale des robots, il est possible de décrire des géométries complexes à l’aide de polymères renforcés de fibres courtes, puis d’ajouter des couches de fibres continues unidirectionnelles suivant la géométrie externe pour obtenir l’intégrité structurelle souhaitée ».
Le facteur « 30 fois » compare des matériaux et des essais différents : Baur et ses coauteurs rapportent 1 599 MPa en traction longitudinale pour un composite unidirectionnel à fibres de carbone et matrice thermodurcissable ; la fiche Onyx ESD citée indique 52 MPa à la limite d’élasticité selon ASTM D638. Cette comparaison ne constitue pas une règle générale entre toutes les fibres continues et coupées, ni entre composites et métaux.
Il y a toujours eu une bataille entre les partisans du renforcement par fibres coupées et ceux du renforcement par fibres continues. Dans cette optique, il est important de garder à l’esprit que chaque matériau possède son propre ensemble de caractéristiques, de domaines d’application et de technologies qui lui sont associés.
Le tableau présente des critères de choix, sans hiérarchie universelle des matériaux :
| Critère | Fibres continues | Fibres coupées |
|---|---|---|
| Renfort | Trajectoires de fibres à aligner sur les efforts | Fibres courtes dispersées dans la matrice ; orientation influencée par le procédé |
| Propriétés | Fort potentiel dans la direction des fibres ; comportement transversal à évaluer | Propriétés dépendant de la matrice, du taux de fibres et de l’impression |
| Conception | Continuité, courbure et placement des fibres à maîtriser | Géométries accessibles selon le procédé et les caractéristiques du mélange |
| Choix industriel | Coût, qualification, cadence et contrôles à établir pour la pièce | Mêmes critères à établir ; aucun coût ni avantage de surface garanti par la seule longueur des fibres |
Les applications aérospatiales
Lorsque nous parlons d’impression 3D aérospatiale avec des matériaux composites, même s’il y a une utilisation prédominante du renforcement par fibres continues, nous avons remarqué quelques applications composées de matériaux de renforcement par fibres coupées.
Tonizzo a participé à plusieurs projets visant tous à réduire le poids ou les délais d’exécution des pièces aérospatiales. Selon lui, l’un d’entre eux, particulièrement réussi, visait à réduire le poids total de l’avion en redessinant des pièces non structurelles, en l’occurrence les supports qui fixent les sièges au plancher. « La réduction du poids est venue de l’élimination de matériaux ne contribuant pas à l’intégrité structurelle tout en maintenant l’unidirectionnalité et la continuité des fibres, ce qui est impossible avec les méthodes traditionnelles manuelles ou automatisées de production de composites », explique-t-il.
Ce cas est rapporté par Tonizzo, sans détail de certification ni protocole d’essai dans l’entretien. L’appellation « non structurel » ne permet pas à elle seule de déduire la criticité d’une fixation de siège.
« La pièce obtenue présente des performances mécaniques similaires tout en réduisant le poids de manière significative. D’après mon expérience, l’avantage concurrentiel de la fabrication additive de composites pour le remplacement de pièces métalliques dans un environnement de production a presque toujours été lié aux performances que l’on peut obtenir en créant des géométries en treillis, ce qui augmente les performances de résistance par rapport au poids de la pièce », ajoute Tonizzo.
Il est intéressant de noter que, qu’il s’agisse de FA ou de procédés de fabrication conventionnels, le facteur le plus important qui conduit à l’utilisation de composites plutôt que de métal reste « les performances de résistance au poids que l’on ne peut obtenir qu’avec des polymères unidirectionnels renforcés par des fibres de carbone » – selon Tonizzo.
Applications et limites
Si les crochets ont été mentionnés comme une application clé de la FA aérospatiale, la FA des composites reste également un candidat idéal pour la production d’attaches, également utilisées dans les aérostructures. Malgré la complexité de cette application, Thermwood a démontré à plusieurs reprises que l’outillage en autoclave peut être une application clé de la FA des composites dans l’industrie aérospatiale.
Les approches hybrides associent également FA et procédés composites existants. Electroimpact présente ainsi le système SCRAM. Le lien initialement établi dans ce dossier entre SCRAM et la fabrication du Boeing 787 n’est pas documenté ; il a été retiré. L’entreprise explique qu’elle « a intégré un processus d’AFP thermoplastique in situ hors autoclave et un processus d’impression 3D FFF avancé dans un système unifié de fabrication additive robotisée de composites évolutifs (Scalable Composite Robotic Additive Manufacturing, SCRAM). SCRAM est une véritable imprimante 3D industrielle à 6 axes, utilisant un renforcement par fibres continues, qui permet la fabrication rapide et sans outil de structures composites intégrées de qualité aérospatiale. Des thermoplastiques haute performance combinés à un pourcentage élevé de renforcement par fibres continues sont utilisés pour produire des pièces aux propriétés matérielles exceptionnelles, inédites dans le monde de la fabrication additive ».
Une présentation technique d’Electroimpact à AeroDef en 2025 décrit une cellule réunissant extrusion, placement automatisé de fibres et usinage. Cette précision ajoutée lors de la relecture décrit l’approche hybride, sans établir son utilisation sur le programme Boeing 787.
Du prototype à la production
La question à laquelle il faut encore répondre est celle de la finalité de la fabrication : la FA des composites ne permet-elle que le prototypage et la production de faibles volumes ? Pour le représentant de Moi Composites, la FA des composites reste l’une des rares technologies où l’impression 3D peut être utilisée dans un environnement de travail, et pas seulement pour la production de faibles volumes.
« J’ai constaté qu’un produit conçu dès le départ avec la fabrication additive à l’esprit est plus facile à mettre en production qu’une nouvelle conception d’une pièce existante. Par exemple, « Hi-Fiber », le produit de renforcement dentaire développé par Moi Dental, la spin-off de Moi, a été conçu et ne peut être produit qu’avec la fabrication additive de composites, avec des milliers de pièces produites par an. Étant donné que la production en grand volume de pièces composites n’est pas étroitement comparable aux quantités produites par moulage par injection de plastique, je suis convaincu que, si la pièce possède une valeur ajoutée suffisante, elle peut être produite en grand volume avec les technologies de FA », souligne M. Tonizzo.
Le passage à la production impose d’évaluer les coûts et la conception des renforts. L’affirmation initiale selon laquelle tout composite à fibres continues serait impossible à fondre, découper ou fraiser était trop générale. Le comportement dépend notamment de la matrice : thermoplastique, elle peut être ramollie par chauffage ; thermodurcissable, elle ne se refond pas après réticulation. L’usinage des composites est possible, avec des précautions pour éviter l’endommagement des fibres et le délaminage.
« Contrairement aux autres méthodes de fabrication, il est extrêmement difficile d’obtenir des performances élevées à partir d’une pièce produite couche par couche, car elles souffrent encore plus du comportement anisotrope de l’impression 3D. Toutes ces limites sont bien connues et déjà résolues par les fabricants de composites qui, au contraire, apprécient grandement l’approche numérique apportée par la FA à l’industrie des composites. Par conséquent, l’adoption de la FA ‘CFC’ est plus facile pour les fabricants de composites que pour les industries de FA. En raison du lourd travail de conception et de fabrication nécessaire pour produire une pièce à l’aide de la FA ‘CFC’, je doute qu’il y ait un “Shapeways” pour les composites, malheureusement », conclut-il.
Notes de l’éditeur
Michele Tonizzo – le contributeur clé qui a partagé ses idées sur ce sujet – est le cofondateur de Moi Composites, une entreprise spécialisée dans l’impression 3D de matériaux composites qui est apparue sur notre radar lorsqu’elle a présenté un bateau en fibre de verre imprimé en 3D au salon nautique de Gênes en 2020. Avant de fonder Moi, il était responsable de la recherche à l’université Politecnico di Milano +LAB, où il étudiait de nouvelles méthodes de FA pour les matériaux polymères, et lauréat d’un JEC Innovation Award en 2017.
Moi Composites se concentrait au moment de cet entretien sur le développement industriel de Sistema, son système de bout en bout visant à simplifier la production de composites par la robotique et la FA. Avec le programme bêta alors annoncé, l’entreprise recherchait les premiers utilisateurs et testeurs de Sistema dans les départements R&D des universités et des industries.
Références :
*1 : Baur JW, Abbott AC, Barnett PR, et al. Mechanical properties of additively printed, UV-cured, continuous fiber unidirectional composites for multifunctional applications. Journal of Composite Materials. 2023;57(4):865-882. doi:10.1177/00219983221146264
*2 : Informations basées sur la fiche technique du matériau Onyx ESD de Markforged.
Note de relecture : le tableau a été reformulé pour éviter une supériorité générale non démontrée sur les métaux. La comparaison de résistances, l’exemple SCRAM et les limites de mise en forme ont été précisés. Les opinions et résultats industriels restent attribués à leurs auteurs ; le programme Sistema est replacé en 2024.
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