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RÉSUMÉ
L’impression 3D de thermoplastiques renforcés par des fibres (discontinues et continues) permet de pallier les performances mécaniques modérées des pièces imprimées en polymère pur. Cet article présente un état des lieux de la technologie de fabrication par filament fondu (FFF) de composites, qui devrait permettre d’élargir les champs d’application (aéronautique, course au large…). Il introduit aussi l’impression 4D qui permet de développer des matériaux intelligents (capteurs, actionneurs) et d’envisager des structures architecturées actionnables sous l’action de stimuli (humidité, électricité, température, pression…).
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3D printing of fiber reinforced thermoplastic matrices (discontinuous and continuous) aims at compensating for the moderate mechanical performance of parts printed from pure polymer. This article presents an overview of the technology of Fused Filament Fabrication (FFF) of composites, which should allow to widen the fields of application (aeronautics, offshore racing ...). It then introduces 4D printing, which allows the development of smart materials (sensors or actuators) and to consider complex architectural structures that can be stimulated by various stimuli (humidity, electricity, temperature, pressure ...).
Auteur(s)
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Antoine LE DUIGOU : Maître de conférences - Institut de Recherche Dupuy de Lôme, UMR CNRS 6027, Lorient, France
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Guillaume CHABAUD : Doctorant - Institut de Recherche Dupuy de Lôme, UMR CNRS 6027, Lorient, France
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Mickaël CASTRO : Maître de conférences - Institut de Recherche Dupuy de Lôme, UMR CNRS 6027, Lorient, France
INTRODUCTION
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.
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MOTS-CLÉS
fabrication par filament fondu thermoplastiques renforcés par des fibres matériaux intelligents performances mécaniques
KEYWORDS
fused filament fabrication | fiber reinforced thermoplastic matrices | smart materials | mechanical performances
DOI (Digital Object Identifier)
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Glossaire
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4. Conclusion
L'impression 3D/4D par dépose de fil fondu (FFF) est une technologie disruptive qui permet la fabrication de pièces finales complexes avec des coûts de fabrication réduits et sans besoin d’utiliser des outillages supplémentaires. Cependant, en raison des propriétés mécaniques modérées des polymères et des composites à renforts discontinus, l'impression 3D de composites à fibres continues tant synthétiques que végétales commence à émerger et constitue désormais un domaine de recherche en pleine croissance.
Bien que générant des propriétés mécaniques plus modestes que les procédés de mise en œuvre conventionnels (thermocompression par exemple) en raison de défauts persistants (porosité notamment), cette technologie permet d’atteindre des performances encourageantes. Elle pourrait même être complémentaire à d'autres procédés de fabrication de composites renforcés de fibres continues tel que le placement automatisé de fibres (AFP) grâce notamment à sa capacité de générer des formes complexes et adresser des objets de plus petite taille.
Diverses améliorations doivent encore être conduites concernant les applications structurelles :
-
accroître la qualité de filaments avec des taux de renforts supérieurs et des taux de porosité inférieurs ;
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mieux comprendre les différentes interfaces (fibre/matrice, filament/filament, couche/couche), leur formation et leurs performances en fonction des paramètres d'impression et de tranchage ;
-
appréhender la formation de défauts lors de l'impression via l’analyse des mécanismes d'adhésion multi-échelles (mouillage, interdiffusion) associés aux phénomènes thermiques et hygroscopiques ainsi qu’aux paramètres de tranchage/impression ;
-
investiguer l'étape de post-consolidation ;
-
étudier les performances en cours d’utilisation, telles que les propriétés de fatigue mécanique et environnementale, et de fluage.
La recherche de multifonctionnalité représente aujourd’hui un axe stratégique pour le développement des matériaux composites. L’impression 4D permet le développement de nouveaux matériaux et structures stimulables pour lesquelles la réponse est programmable via le design d’architectures bio-inspirées.
De nouveaux matériaux stimulables dont l'actionnement est déclenché...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TIBBITS (S.) - 4D printing : multi-material shape change. - Archit. Des., p. 116-121 (2014).
-
(2) - MOHAMED (O.A.), MASOOD (S.H.), BHOWMIK (J.L.) - Optimization of fused deposition modeling process parameters : a review of current research and future prospects. - Adv. Manuf., vol. 3, n° 1, p. 42-53 (2015).
-
(3) - MASOOD (S.H.), MAU (K.), SONG (W.Q.) - Tensile Properties of Processed FDM Polycarbonate Material. - Mater. Sci. Forum, vol. 656, p. 2556-2559 (2010).
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(4) - SHOFNER (M.L.), LOZANO (K.), RODRÍGUEZ-MACÍAS (F.J.), BARRERA (E.V.) - Nanofiber-reinforced polymers prepared by fused deposition modeling. - J. Appl. Polym. Sci., vol. 89, n° 11, p. 3081-3090 (2003).
-
(5) - WEI (X.), LI (D.), JIANG (W.), GU (Z.), WANG (X.), ZHANG (Z.) - 3D Printable Graphene Composite. - Sci. Rep., p. 1-7 (2015).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Biomimétique – Terminologie, concepts et méthodologie. - ISO 18458 - 2015
-
Biomimétisme – Matériaux, structures et composants biomimétiques. - ISO 18457 - 2016
-
Additive manufacturing – General principles – Terminology. - ISO/ASTM 52900 - 2015
-
Additive manufacturing – General principles – Requirements for purchased AM parts. - ISO/ASTM 52901 - 2017
-
Additive manufacturing – Material extrusion-based additive manufacturing of plastic materials – Part 1 : Feedstock materials. - ISO/ASTM 52903-1 - 2020
ANNEXES
ANDRÉ (J.-C.), LE MÉHAUTÉ (A.), DE WITTE (O.). – « Dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle » Brevet français n° 84 11 241 du 16 juillet 1984 (1984).
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