En octobre 2020, CW a rapporté sur l’impression 3D de composites avec une fibre continue et a dressé un panorama des technologies en développement, ainsi qu’une classification des processus utilisés. Cette dernière a été contribuée par Alexander Matschinski, chercheur associé et expert en fabrication additive à la TU Munich et à la chaire des composites en carbone (Lehrstuhl für Carbon Composites, ou LCC, Munich, Allemagne).
CW s’associe à nouveau à LCC, mais cette fois pour examiner le paysage plus large de la fabrication additive de composites (ACM), en particulier les processus développés à l’interface entre les composites traditionnels et la fabrication additive (AM). “Nous voyons de plus en plus de technologies qui sortent de nos classifications pour l’impression 3D de fibres continues, mais qui combinent plutôt la fabrication automatisée de composites avec l’AM et offrent de nouvelles solutions qui n’étaient pas possibles jusqu’à présent”, note Thomas Wettemann, chercheur à la LCC.
La LCC elle-même brouille les frontières entre les processus traditionnels et l’impression 3D en combinant la pose automatisée de fibres (AFP) et l’enroulement filamentaire (FW) avec la ACM à base d’extrusion (voir “Future composite manufacturing – AFP and additive manufacturing”). “Nous passons également de l’extrusion traditionnelle des thermoplastiques à l’impression 3D avec des thermodurcissables en adaptant les technologies que nous avons développées pour le moulage par transfert de résine [RTM] et en les combinant avec les ultrasons”, explique le Dr Swen Zaremba, chef adjoint de la LCC. Parallèlement, la LCC s’emploie à développer des normes pour l’ACM et à améliorer ses matériaux et ses procédés.
Il convient de noter qu’il existe un paysage ACM encore plus vaste qui comprend des filaments remplis de fibres hachées extrudées à l’aide de la modélisation par dépôt de matériau fondu (FDM), des matériaux en poudre traités à l’aide de la fusion sélective par laser (SLS) et des pièces hautement adaptées utilisant des charges magnétiquement orientées et le traitement de la lumière numérique (DLP), ce dernier développé par Fortify (Boston, Mass., États-Unis). Ces processus produisent effectivement des pièces composites et ouvrent de nouveaux marchés et applications, mais cette discussion restera dans le domaine du renforcement continu des fibres.
Qu’est-ce que l’ACM ?
“Nous avons généralement cette discussion en premier, ainsi que la motivation de développer ces nouvelles technologies”, explique Zaremba. Comme l’explique Wettemann dans une présentation SAMPE en janvier 2019, la motivation est une production rentable au-delà de la production de masse, y compris une taille de lot unique, qui économise également les ressources, réduit ou élimine les déchets et est respectueuse de l’environnement et du climat. “Cela offre également un moyen de rendre la chaîne de processus composites entièrement numérique”, ajoute-t-il. “C’est le premier pas vers des décennies de changement”.
Les composants clés de la définition de l’ACM par la LCC comprennent :
- Réduire des chaînes de processus longues à un seul point de “traitement dans une boîte”
- Remplacer la consolidation mondiale/polymérisation par un traitement local des matériaux et un traitement thermique récurrent
- Production sans outil
“L’ACM concentre ce qui était auparavant des chaînes de processus longues en plus ou moins un seul point, une sorte de fabrication dans une boîte”, explique Zaremba. Ainsi, ajoute Matschinski, “vous traitez les matériaux et donnez à la pièce sa forme à l’intérieur de cette boîte et sans outil de moulage”. Tous deux conviennent que la “boîte” peut être une très grande cellule ACM, par exemple, la cellule SCRAM dévoilée par Electroimpact (Mukilteo, Wash., États-Unis) en 2020. “L’ACM peut également être utilisé en dehors d’une seule boîte”, explique Zaremba, “par exemple, notre travail pour ajouter un renforcement local et de plus petites caractéristiques aux grandes pièces AFP”.
Cependant, note Wettemann, “nous voyons maintenant des exemples de la chaîne de processus composites entière contenue dans une ligne ou une cellule automatisée, mais ce n’est pas ce que nous définirions comme ACM”. La cellule SCRAM, en revanche, a la capacité de traiter le matériau et de donner forme sans outils en combinant une tête AFP thermoplastique à consolidation in situ (ISC) avec une tête d’impression 3D par dépôt de fil fondu [FFF, un autre terme pour FDM]. “Pour nous, cette consolidation in situ à l’aide de l’AFP était effectivement le début de l’ACM à la LCC, car vous créez les composites durcis/consolidés pendant le placement ou la superposition”, explique Zaremba.
Cela nous amène au deuxième point clé de la définition de l’ACM par la LCC. “Auparavant, vous aviez toujours une étape de consolidation mondiale et idéalement le même traitement des matériaux et l’historique sur toute la pièce, car elle était moulée dans un autoclave, un four, un outil chauffant ou une presse”, explique Zaremba. “Avec l’ACM, nous effectuons ce traitement thermique et cette consolidation sur une base locale pendant la construction de la pièce.”
Wettemann souligne que l’ISC a offert un point d’entrée de la fabrication automatisée de composites dans le monde de l’AM, “mais cela présente également de véritables défis pour les matériaux et les procédés, car ce traitement local des matériaux est également un traitement thermique récurrent. Notez qu’au début, nous adaptions simplement des matériaux de moulage par injection pour l’impression 3D. Mais nous avons ensuite reconnu que ce n’était pas vraiment optimisé pour l’impression FFF. Ainsi, les entreprises ont commencé à modifier les matériaux pour leurs systèmes d’impression afin de faire face au chauffage et au refroidissement récurrent des résines, ainsi qu’à la vitesse requise et au besoin d’adhérer les couches ensemble et d’éviter le gauchissement. C’est également pourquoi de plus en plus d’entreprises cherchent à inclure des fibres continues.”
Cependant, l’intégration de fibres continues crée également des problèmes. “C’est une des raisons pour lesquelles nous nous sommes tournés vers l’ACM”, explique Zaremba. “Les processus d’impression 3D promettaient beaucoup de résultats, mais les résultats ne répondaient pas au type de qualité que nous exigeons pour des applications structurales ou aérospatiales, par exemple. Nous voyions une lacune entre les composites avancés utilisant des fibres continues et ce que les technologies AM peuvent fournir. La LCC s’efforce de réunir ces deux mondes et de réaliser le potentiel promis, mais aussi de combiner les technologies pour atteindre de nouvelles solutions.”
Fusion de deux mondes
La LCC voit de nombreuses nouvelles solutions, par exemple le procédé d’Additive Molding développé par Arris Composites (Berkeley, Calif., États-Unis) et la cellule Fusion Bonding pour l’impression 3D développée par 9T Labs (Zurich, Suisse), qui sont tous deux des processus à haut volume. “Aucun de ces processus ne donne la forme finale à la pièce à l’intérieur du processus additif, mais utilise un type de moule et une deuxième étape dans ce moule”, explique Matschinski. “Ainsi, cela ne correspond pas à notre définition de l’ACM. Cependant, tous les deux présentent des solutions intéressantes combinant la fabrication traditionnelle de composites et les technologies AM.”
“9T Labs utilise certainement des imprimantes 3D”, note Wettemann, “mais pour créer une préforme qui est ensuite traitée dans un processus de formage numérisé pour créer des composants composites thermoplastiques légers qui sont complètement nouveaux et répondent à des marchés qui ne pouvaient pas utiliser la technologie des composites avant.” Ici, il fait référence à l’objectif de 9T Labs de remplacer les métaux dans les pièces où le moulage par injection ne peut pas fournir des performances suffisantes. “À la LCC, nous avons également étudié comment introduire des fibres infinies dans le moulage par injection, mais il est assez difficile de réaliser un positionnement précis des fibres infinies dans le processus d’injection. En revanche, la technologie de 9T Labs offre ce qui semble être une méthode de fabrication facile à mettre en œuvre pour des pièces haute performance.”
Arris Composites adopte une approche différente mais atteint un objectif quelque peu similaire, visant des volumes de pièces supérieurs d’un ordre de grandeur. “Nous permettons non seulement une production en grande quantité de pièces à fibres continues, mais nous ajoutons également une multifonctionnalité qui permet une consolidation dynamique des pièces”, explique Riley Reese, co-fondateur et directeur technique d’Arris Composites. “Par exemple, nous avons transformé un assemblage de 17 composants en une seule pièce tout en augmentant la résistance et en ajoutant des propriétés telles que la transparence radio. Nous sommes compétitifs en termes de coûts avec le moulage par compression – par exemple, le SMC [compoundage de feuilles], mais avec la performance des fibres continues.”
ACM directe vs ACM indirecte
Revenant à la définition de l’ACM par la LCC, le troisième composant clé reconnaît le débat entre la fabrication avec ou sans outil de moulage. “Les approches directes sont celles où la forme finale provient de l’impression – je n’ai jamais d’outil”, explique Wettemann. “L’avantage est d’être complètement exempt de la fabrication d’outils. Tant que nous avons des moules, nous parlons de processus indirects, ou nous parlons de la fabrication de composites plus traditionnelle, qui est ensuite aidée par les technologies AM.”
Wettemann note que de telles approches hybrides aident à résoudre des facteurs tels que la consolidation et l’outillage qui augmentent le coût et le temps de la fabrication traditionnelle de composites. “Nous avons vu des développements par le Digital Manufacturing and Design Centre de l’Université de technologie de Singapour et par Mikrosam [Prilep, Macédoine] de 2015 à 2017 où des robots automatisés ont été développés pour produire des pièces composites avancées dans un processus de type AFP sans outillage”, explique-t-il. “Nous nous dirigeons donc vers l’ACM dans la mesure où les deux approches ont réussi à fabriquer numériquement dans un espace libre sans outil, mais des développements supplémentaires sont encore nécessaires. Réduire le besoin d’outillage est essentiel, car cela nous donne également de nouvelles possibilités à la fois pour la fabrication de composants composites et le type de composants qui peuvent être fabriqués.” Par exemple, les trajets de charge très organiques produits par les logiciels d’optimisation de la topologie et de conception générative poursuivent effectivement l’efficacité des structures biologiques comme l’os et les arbres, mais ils sont très difficiles à fabriquer avec des fibres continues.
Développements futurs à la LCC
“Dans la fabrication directe de pièces, nous observons la même chose que vous montrez dans votre panorama, à savoir que les frontières s’estompent et nous nous dirigeons vers une approche de fabrication beaucoup plus hybride”, explique Patrick Consul, chercheur à la LCC. Plus tôt cette année, son équipe a terminé les premiers essais d’une approche hybride combinant l’extrusion de matériau et le dépôt d’énergie dirigée [DED] à l’aide d’une machine prototype basée sur un laser pour imprimer sur des stratifiés préconsolidés et de très grandes impressions 3D sans chambre chauffée. “Nous travaillons également sur la combinaison de l’ACM avec le fraisage et l’AFP, qui se complètent très bien car ils reposent tous sur des trajectoires d’outils compliquées”, dit-il. “La transition entre eux devient assez simple et ne nécessite pas beaucoup de formation supplémentaire.” Ainsi, la chaîne de processus est raccourcie, numérisée et simplifiée.
La LCC pousse également l’approche hybride en combinant les technologies développées pour le RTM et l’impression 3D. “Le résultat est similaire à la polymérisation en cours de route, mais nous voulions nous éloigner des résines de polymérisation UV car elles sont un peu trop chères lorsque vous voulez construire des pièces plus grandes”, explique Zaremba. “À la place, nous utilisons une nouvelle technique de mélange par ultrasons que nous avons développée pour le RTM et nous l’adaptions maintenant pour une utilisation dans une extrudeuse typique avec des époxydes bon marché et à prise rapide qui ont été développés pour l’industrie automobile.”
Matschinski explique cette technologie plus en détail : “Nous utilisons la vibration ultrasonique pour mélanger et durcir la résine époxy presque instantanément pendant que nous déposons la fibre imprégnée lors de l’impression.” En quoi cela diffère-t-il des ultrasons utilisés par l’Institut des structures composites et des systèmes adaptatifs du DLR à Braunschweig, en Allemagne (voir “Réduire le coût des matériaux d’impression 3D à fibres continues”) ? Matschinski explique : “Le DLR utilise les vibrations ultrasoniques pour améliorer l’infiltration d’une matrice thermoplastique dans les fibres étalées pour créer des filaments imprimés en 3D renforcés de fibres continues, qui sont ensuite imprimés à l’aide d’une extrusion de matériau classique. Nous utilisons les ultrasons pour durcir un filament thermodurcissable renforcé de fibres continues.”
“Des organisations comme Arris Composites, 9T Labs et nos équipes ici à la LCC, par exemple, sont intéressantes car elles ont des racines et des employés à la fois dans le monde des composites et dans le monde de l’AM”, explique Wettemann. “Elles se réunissent pour créer de nouvelles technologies qui peuvent aider aujourd’hui à nous éloigner d’une économie future potentiellement limitée en ressources et en croissance, en lutte contre la crise climatique. Elles ouvrent la voie à des solutions nécessaires.”
