Impression 3D/4D de matériaux composites thermoplastiques

L’impression 3D par dépose de filament fondu (FFF) est en 2021 la technologie d’impression 3D la plus largement utilisée du fait de sa simplicité, du faible coût des équipements et de la matière première comparée aux autres technologies d’impression 3D telles que la stéréolithographie ou bien le frittage sélectif par laser. Cette technologie a fait l’objet de nombreuses innovations concernant la variété des matériaux utilisables ou encore vis-à-vis de l’amélioration des performances de ces appareils (précision, reproductibilité, vitesse d’impression…). De plus, l’échéance du brevet sur la FFF détenu par Stratasys^® combinée au projet RepRap (The Replicating Rapid Prototyper, projet visant à développer un parc d’imprimantes libres et auto-réplicatives, c’est-à-dire capables d’imprimer les pièces nécessaires à la construction de ces mêmes imprimantes) a permis de largement démocratiser la FFF et plus largement l’impression 3D. Ainsi, en 2019 le marché de l’impression 3D était estimé à 13,8 milliards de dollars avec une projection à 22,7 milliards de dollars d’ici 2024. L’impression 3D est devenue aujourd’hui une innovation disruptive présente dans de très nombreux secteurs d’applications (automobile, aéronautique, spatial, médecine, robotique, bâtiment, industrie agroalimentaire, ingénierie marine…).

Le principal atout de l’impression 3D par comparaison avec les procédés d’élaboration traditionnels est sa capacité à mettre en forme des produits finis en très peu d’étapes avec une liberté quasi infinie en matière de design, ceci permettant de réduire les coûts de production de manière drastique et d’accélérer le processus. Cependant, la technologie la plus répandue, la dépose de filament fondu, souffre de certaines limites.

Premièrement, cette technologie est très souvent restreinte à la production de prototypes du fait d’une compréhension encore incomplète de la relation procédé-architecture-propriétés conduisant à des propriétés mécaniques moyennes. Ainsi, l’élaboration de matériaux à hautes performances élaborés par FFF est un enjeu majeur tant dans le domaine académique qu’industriel.

Une des solutions envisagées est la modification de la formulation des matériaux imprimés afin d’y ajouter des fibres de renfort (continues ou discontinues) pour améliorer la performance mécanique. En outre, le contexte environnemental actuel nous pousse à modifier notre façon de concevoir, de sélectionner et de fabriquer les matériaux. Ainsi, les composites renforcés par des fibres végétales ou biocomposites sont considérés comme une alternative crédible à certains composites synthétiques notamment dans le cadre d’une démarche d'écoconception. Par ailleurs, l'impression 3D est une opportunité incroyable pour les biocomposites de se développer pour la première fois à la même échelle de temps que leurs homologues synthétiques.

Au-delà de la nécessité de performances mécaniques, l'industrie des composites exprime un besoin grandissant de développer des matériaux composites multifonctionnels. Dans ce contexte, l'impression 4D (matériaux imprimés en 3D aux propriétés dépendantes du temps, dont la réponse est pilotée par leur architecture et actionnée par un stimulus externe) a été introduite la première fois en 2013 par S. Tibbits . Ce nouveau paradigme s’inspire souvent du fonctionnement de structures biologiques. Il permet de développer des matériaux et des structures dites programmables de par le contrôle de leur architecture établie lors de la mise en œuvre. Ils sont alors capables de changer de forme (morphing) de façon séquentielle ou non, de s’auto-assembler ou s’auto-réparer… La modification des propriétés de la structure en impression 4D peut être autonome ou déclenchée activement par une stimulation externe (variation de température, courant électrique, humidité, pH…).

Cet article présente un état de l’art de l’impression 3D et 4D des matériaux composites à matrice organique renforcée de fibres (continues et discontinues) synthétiques et naturelles pour des applications structurelles et multifonctionnelles.