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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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Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Plastiques et composites > Finitions des plastiques - Fabrication additive des polymères > Impression 3D/4D de matériaux composites thermoplastiques > Impression 4D de matériaux composites
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Présentation
Conclusion
En anglais
3. Impression 4D de matériaux composites
3.1 Principe et matériaux pour l’impression 4D
Récemment, les matériaux multifonctionnels ont gagné de l’intérêt au niveau industriel, du fait, en particulier, de leur capacité à engendrer des structures capables de changer de forme au cours de leur utilisation. Dans ce contexte, des recherches ont été menées pour développer la technologie dite d'impression 4D.
L'impression 4D combine la technologie d'impression 3D et l'utilisation de matériaux intelligents avec des propriétés évoluant au cours du temps et qui sont actionnés par l’application d’un stimulus externe (température, humidité, lumière, pH, actionnement mécanique…).
Le concept d’impression 4D est illustré par la figure 13. L'impression 4D permet l’élaboration de matériaux et structures complexes disposant de fonctionnalités intégrées grâce à la combinaison de matériaux intelligents et d’une architecture adaptée. C’est ce qui est défini comme un matériau programmable où la phase de programmation consiste à architecturer (distribution de matière) le matériau pour produire la réponse escomptée. La conception des architectures requiert des outils innovants comme l’optimisation topologique ou le biomimétisme . Le lecteur pourra se reporter à [BM 7 923].
Parmi les propriétés des matériaux stimulables employés en impression 4D, une des plus étudiée est la capacité du matériau imprimé à s'auto-déployer sous l’effet d’un ou plusieurs stimuli...
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Impression 4D de matériaux composites
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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