Qu’est-ce que l’impression 3D de fibres de carbone ?

En impression 3D, la fibre de carbone est de plus en plus utilisée pour renforcer d’autres matériaux, généralement des thermoplastiques. L’objectif principal est de rendre les pièces plus solides et plus légères, des propriétés convoitées pour de nombreuses applications dans un large éventail d’industries. Dans certains cas, les impressions renforcées par la fibre de carbone peuvent même remplacer des pièces traditionnellement fabriquées en métal.

Deux méthodes principales existent pour renforcer des pièces 3D avec de la fibre de carbone : l’utilisation de filaments chargés en fibre de carbone ou l’intégration directe d’un brin de fibre continu dans chaque couche lors de l’impression.

Cependant, et c’est ce qui nous intéresse ici, l’impression 3D de fibres de carbone en continu offre beaucoup plus de valeur. Il est possible de choisir la direction dans laquelle la pièce doit être renforcée, ce qui donne des pièces stratégiquement anisotropes, alors que les filaments de fibre de carbone coupés renforcent (et à moindre mesure) la résistance de manière isotrope.

Voici un exemple de renforcement stratégique de la fibre de carbone :

La pièce finale bénéficie d’un renforcement spécial en fonction de la charge qu’elle est censée supporter. Source : Anisoprint/AM Academy

Sur le marché de la fabrication additive à fibre de carbone continue, les options peuvent toutefois être très diverses. On peut trouver des imprimantes 3D de bureau à l’apparence plutôt standard, d’énormes systèmes à portique, des bras robotisés complexes, … et des technologies qui peuvent aller de l’extrusion à la lamination et aux processus en deux étapes nécessitant plusieurs machines.

Compte tenu de ces éléments, nous avons divisé notre sélection en deux groupes afin de donner un aperçu plus significatif de ce marché.

D’une part, nous avons regroupé les imprimantes 3D CF continues qui peuvent être considérées comme des solutions adaptées au bureau et/ou « clés en main » (dans une certaine mesure). La plupart d’entre elles coûtent moins de 100 000 euros et sont relativement faciles à utiliser.

De l’autre, nous avons répertorié les solutions avec bras robotisé et/ou de très grand format. Elles sont plus complexes à mettre en œuvre et coûtent plusieurs centaines de milliers d’euros.

Il y aura toujours des exceptions, des chevauchements et des approches différentes qui pourraient faire qu’une solution tombe dans l’une ou l’autre catégorie ; notre répartition n’est pas à prendre au pied de la lettre ! Mais si vous êtes à la recherche d’une solution d’impression 3D à fibre de carbone continue, cet article devrait vous donner un bon aperçu du marché.

Imprimantes 3D à fibre de carbone continue « clés en main »

La liste des imprimantes 3D en fibre de carbone ci-dessous comprend des solutions qui sont relativement clés en main. Bien que certaines soient à la limite de cette catégorie, comme la grande Prom IS 500 ou la Red Series à deux étapes, elles sont toujours beaucoup plus faciles à mettre en œuvre et abordables que ce que couvre notre deuxième liste.

MarqueProduitTaille d’impressionPaysPrix
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et par région, et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
Markforged
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Mark Two 320 × 132 × 154 mmUnited States20 000 €Devis
Markforged
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X7 330 × 270 × 200 mmUnited States69 900 €Devis
9T Labs
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Red Series 350 × 270 × 250 mmSuissesur demandeDevis
Desktop MetalFiber HT 310 × 240 × 270 mmUnited Statessur demandeDevis
Massivit
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Massivit 10000 1420 × 1110 × 1500 mmIsraëlsur demandeDevis

Les produits sont classés par ordre de prix croissant.

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Ci-dessous, nous donnons un peu plus de contexte et d’informations sur chacune de imprimantes 3D à fibre de carbone continue.

Sélection Ce produit fait partie d’un guide d’achat.
Par Markforged
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X7

Par Markforged
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La X7 imprime du filament propriétaire Onyx– un nylon déjà chargé avec de la fibre de carbone hachée– qu’elle renforce de manière continue avec une unique fibre de carbone. Ainsi, l’imprimante produit des pièces très solides. Elle est également très précise grâce à son scanner 3D intégré qui mesure constamment l’espace d’impression.

La gamme X de Markforged inclut également la X3, spécialement conçue pour les filaments pré-renforcés à la fibre de carbone, et la X5, conçue pour l’impression de fibre de verre continue.

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Par 9T Labs
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sur demande

9T Labs est une jeune entreprise suisse spécialisée dans la production automatisée de composites. Sa solution Red Series à deux étapes combine une unité d’impression FDM classique et une unité de fusion adjacente pour le post-traitement, toutes deux produites par 9T Labs.

La pièce est d’abord imprimée sur le « Build Module », pour ensuite subir une chaleur et une pression élevées dans le « Fusion Module » et atteindre sa densité finale.

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Desktop Metal est principalement connu pour ses imprimantes 3D métal. Sa gamme Fiber, cependant, constitue pour eux un point d’entrée sur le marché de nice de l’impression 3D à fibre continue.

Intégrée dans une machine facile d’utilisation, la technologie Micro AFM offre des pièces résistantes et légères. La version LT permet de renforcer du nylon (PA6) avec de la fibre continue ; soit de la fibre de carbone, soit de la fibre de verre.

La version HT peut quant à elle imprimer du filament PEEK et le renforcer lui aussi avec de la fibre de carbone ou de verre.

Note : En date de juillet 2022, cette imprimante 3D n’est pas encore disponible à l’achat.

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Par Massivit
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Le système de fabrication additive Massivit 10000 est conçu pour surmonter les goulots d’étranglement de la production de moules pour la fabrication de matériaux composites. Il permet la production numérique rapide de moules isotropes de qualité industrielle en 80% moins de temps qu’avec les méthodes d’outillage traditionnelles.

La Massivit Massivit 10000 offre un volume d’impression de 1420 × 1110 × 1500 mm55.91 × 43.7 × 59.06 in.

Bras robotisés et imprimantes 3D à fibre de carbone de très grand format

Cette section couvre les imprimantes 3D de très grand format et les solutions utilisant des bras robotisés.

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CEADAM Flexbot 40000 × 4000 × 3000 mmPays-Bassur demandeDevis
Continuous CompositesCF3D United Statessur demandeDevis
Impossible ObjectsCBAM-2 305 × 305 × 102 mmUnited Statessur demandeDevis
IngersollMasterPrint Continuous Filament United Statessur demandeDevis
Orbital CompositesOrbital S 1000 × 1000 × 1000 mmUnited Statessur demandeDevis

Les produits sont classés par ordre de prix croissant.

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CEADAM Flexbot40000 × 4000 × 3000 mmPays-Bassur demandeObtenir un devis
Continuous CompositesCF3DUnited Statessur demandeObtenir un devis
Impossible ObjectsCBAM-2305 × 305 × 102 mmUnited Statessur demandeObtenir un devis
IngersollMasterPrint Continuous FilamentUnited Statessur demandeObtenir un devis
Orbital CompositesOrbital S1000 × 1000 × 1000 mmUnited Statessur demandeObtenir un devis

Ci-dessous, nous donnons un peu plus de contexte et d’informations sur chaque imprimante 3D à fibre de carbone à bras robotisé de notre sélection.

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Par CEAD
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Impression 3D à fibre continue vs filaments chargés en fibre de carbone

Il existe de grandes différences entre l’impression en fibre de carbone continue et l’impression d’un filament chargé en fibre de carbone coupée.

Fibre de carbone continue

Ici, de longs brins continus de fibre de carbone sont mélangés à un plastique pendant le processus d’impression 3D. Ce plastique de base, appelé matrice, peut s’agir de PLA, d’ABS, de nylon, de PEEK, ou quasiment tout autre thermoplastique.

L’une des manières de renforcer des pièces avec de la fibre de carbone continue consiste à utiliser une sorte de double buse d’extrusion. Une buse dépose un plastique tandis que l’autre dépose la fibre de carbone. Le mélange se fait parfois directement dans une buse unique. Markforged et Anisoprint utilisent ce type de technologie, qui tombe sous la catégorie de l’extrusion.

Anisoprint-continuous-fiber-co-extrusion-CFC-printhead-illustration
La technologie Composite Fiber Coextrusion d’Anisoprint. Source : Anisoprint

Continuous Composites, eux, utilisent une technologie hybride unique. Une fibre de carbone continue est imprégnée de résine, et est ensuite solidifiée avec une puissante lumière UV lorsqu’elle sort de la buse. En termes simplifiés, on peut dire que c’est un mélange d’extrusion et de photopolymérisation.

9T Labs utilise également une approche hybride : le premier module imprime la pièce composite, et le second applique une chaleur et une pression élevées pour souder les couches ensemble.

Filament carbone (chargé en fibre de carbone coupée)

Le filament carbone, c’est-à-dire le filament renforcé en morceaux de fibre de carbone, est la manière la plus courante d’imprimer du carbone en 3D. La fibre de carbone est déjà incorporée ou « chargée » dans le filament, qui est prêt à être imprimé en 3D avec une imprimante 3D FFF plus ou moins ordinaire.

Un matériau de base, appelé matrice, (PLA, Nylon, etc.) est mélangé avec de minuscules brins de fibre de carbone. Ces brins de carbone sont très abrasifs, donc l’imprimante 3D devra être équipée d’une buse en acier trempé ou autre matériau solide pour résister à l’érosion.

Les pièces imprimées avec ce filament sont plus résistantes et légères que les pièces imprimées avec du simple plastique. Cela dit, leur résistance et solidité dépendront du pourcentage de carbone chargé (certains filaments incluent par exemple 20% de carbone) ainsi que du matériau de la matrice (le Nylon est plus résistant que le PLA, par exemple).

Autres matériaux pour l’impression 3D à fibre continue

D’autres types de fibres peuvent être utilisés en impression 3D.

Impression 3D de fibre de verre

Ce matériau de renforcement d’entrée de gamme peut produire des pièces nettement plus résistantes et plus rigides que l’ABS et le nylon. Il est plus flexible que la fibre de carbone et est moins cher.

Impression 3D de fibre de Kevlar

Le Kevlar est une autre fibre intéressante pour l’impression 3D, notamment en ce qui concerne l’absorption des chocs.

Impression 3D de fibre de basalte

Les pièces imprimées avec de la fibre de basalte peuvent être aussi solides que l’acier inoxydable et cinq fois plus légères qu’en acier.

Renforcer les pièces avec de la fibre de carbone continue

En impression 3D à fibre continue, il existe deux manières principales de renforcer une pièce :

  • Concentrique : c’est le renforcement du périmètre de la pièce, c’est-à-dire de ses « murs »
  • Isotrope : c’est le renforcement du remplissage intérieur de la pièce

Dans certains cas, le renforcement du périmètre suffira pour que la pièce serve son but. D’autres applications plus exigeantes nécessiteront peut-être un léger remplissage, et d’autres auront besoin d’un remplissage très dense.

Plus vous remplissez votre pièce, plus cela prendra de matériau et plus la pièce vous coûtera cher.

Différents types de remplissage pour l’impression 3D à fibre continue. Source : Aniwaa/Anisoprint

Avantages et limites de l’impression 3D à la fibre de carbone continue

Comme tout matériau ou technologie, l’impression 3D de carbone en continu présente des avantages et des limites.

Avantages de l’impression en continu de fibres de carbone

L’impression 3D de fibre de carbone en continu permet de produire des pièces qui :

  • Présentent une grande résistance, rigidité et stabilité dimensionnelle
  • Sont légères
  • Présentent une excellente finition et apparence

Elle permet également de mélanger la fibre de carbone à de nombreux thermoplastiques (nylon, PEKK, …).

Inconvénients de l’impression 3D de pièces en fibre de carbone

Les quelques inconvénients de la fibre de carbone sont les suivants :

  • Un choix de couleurs limité (nuances de gris foncé)
  • Prix élevé

Ce matériau est également cassant, mais cela peut être compensé lorsqu’il est associé à un plastique plus souple.

Services d’impression 3D en fibre de carbone

L’impression 3D en fibre de carbone peut produire d’excellents résultats. Cependant, si vous avez un faible niveau de demande pour ce genre de pièce, cela ne vaudra peut être pas le coup d’investir dans une imprimante 3D.

Dans ce cas, vous pouvez tout à fait commander vos pièces en ligne via un service d’impression 3D. Il suffit d’envoyer un modèle, de choisir le matériau et la technologie à utiliser, puis le service l’imprime et vous l’envoie.

FAQ

Peut-on imprimer de la fibre de carbone avec n’importe quelle imprimante 3D ?

Le filament chargé en fibre de carbone peut être imprimé sur presque toute imprimante 3D FFF standard ayant un extrudeur aux composants renforcés (buse en acier trempé, par exemple). En effet, la fibre de carbone est un matériau abrasif qui peut endommager les composants standards. La fibre de carbone continue, quant à elle, ne peut être imprimée que sur un équipement spécifiquement conçu à cet effet.

Est-il possible d’imprimer de la fibre de verre ?

Oui, il existe des matériaux chargés en fibre de verre ainsi que de la fibre de verre continue.

Qu’est-ce qu’un matériau composite ?

En impression 3D, il s’agit généralement de thermoplastiques renforcés avec de la fibre de carbone, de verre, ou tout mélange de deux matériaux différents.