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Impression 3D de matériaux composites à matrice polymère - Revue et prospective

L'impression 3D, également appelée fabrication additive (AM), prototypage rapide (RP) ou fabrication de solides de forme libre, désigne « un procédé selon lequel les matériaux sont assemblés, généralement couche par couche, pour fabriquer un objet conforme aux données 3D qui le modélisent ». Il a été décrit pour la première fois en 1986 par Charles Hull. Cette technologie consiste à créer des objets en déposant le(s) matériau(x) à l'intérieur des contours définis par le modèle 3D. Cela permet de réduire les déchets puisque la précision géométrique obtenue est suffisante, évitant que la pièce ne soit reprise en finition pour éliminer surépaisseurs et autres bavures. Le processus débute par un maillage informatique 3D qui peut être créé à partir de données d’analyse d’images ou de structures définies à partir d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Il en résulte généralement un fichier STL (Surface Tessellation Language). Les données de maillage seront ensuite découpées en tranches pour définir un fichier configuré en couches 2D qui pilotera l'imprimante 3D.

Les matériaux polymères thermoplastiques tels que l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), l'acide polylactique (PLA), le polyamide (PA) et le polycarbonate (PC) ainsi que les matériaux polymères thermodurcissables comme les résines époxy peuvent être utilisés en impression 3D. Les résines époxy sont des matériaux réactifs qui nécessitent une réticulation thermique ou assistée par UV pour terminer le processus de polymérisation. Elles présentent initialement une faible viscosité, qui augmente au fur et à mesure du durcissement et conviennent donc à un tel processus. En fonction du choix des matériaux, l'impression 3D de polymères a trouvé des applications possibles dans l’industrie aérospatiale pour la création de structures légères complexes, l’architecture pour la réalisation de maquettes, les secteurs de l'art ou de l'éducation, et les domaines médicaux pour l'impression de tissus, d'organes ou de prothèses. Cependant, la plupart des produits réalisés en impression 3D polymère sont encore aujourd'hui utilisés comme prototypes conceptuels plutôt que comme composants fonctionnels, car leurs propriétés sont encore insuffisantes en tant que pièces fonctionnelles et structurelles. De tels inconvénients limitent l'usage des pièces polymères imprimées en 3D pour des applications industrielles.

L'impression 3D de composites polymères cherche à résoudre ces problèmes en combinant la matrice et les renforts pour obtenir des propriétés structurelles ou fonctionnelles qui ne peuvent être atteintes par aucun des constituants seuls. L'incorporation de renforts de particules, de fibres ou de nanomatériaux permet la fabrication de composites à matrice polymère qui se caractérisent par des performances mécaniques accrues et une excellente fonctionnalité. Les techniques de fabrication conventionnelles des matériaux composites tels que le moulage et la coulée ne permettent pas de créer des produits de géométries complexes. L’usinage le permet via des processus d'enlèvement de matière. Bien que ces procédés de fabrication et les performances des composites réalisés par ces méthodes soient bien maîtrisés, la capacité de contrôler la structure interne complexe du matériau est limitée. L'impression 3D est capable de fabriquer des structures composites complexes sans produire de déchets. La taille et la géométrie des composites peuvent être modélisées avec précision à l'aide d'outils de conception assistée par ordinateur. Ainsi, l'impression 3D de composites permet d'obtenir une excellente combinaison de flexibilité de processus et de produits hautes performances.

Bien que l'impression 3D ait fait l'objet de beaucoup d'attention au cours des trois dernières décennies, la plupart des articles publiés portaient sur l'introduction de techniques d'impression de matériaux polymères purs. Au cours des dernières années, des progrès considérables ont cependant été réalisés dans le développement de polymères composites à hautes performances, adaptés à l'impression 3D. Dans cet article, après une brève introduction de la technique d'impression 3D utilisée pour les polymères, nous étudions en détail les techniques d'impression et les améliorations des propriétés qui en résultent avec les polymères composites. Les applications biomédicales, électroniques et aérospatiales sont ensuite explorées. On souligne en particulier le travail accompli dans ce domaine au cours des cinq dernières années et les progrès qui en ont résulté. Enfin, nous discutons les limites des technologies actuelles et les perspectives.

Le lecteur peut se reporter aux références bibliographiques  à  s'il souhaite en savoir plus sur les différents points abordés dans cette courte introduction.