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Impression 3d moule composite

10 novembre 2020

L’impression 3D composites, alternative au métal

Et si l’impression 3D rendait possible la réalisation de pièces aussi solides que l’aluminium tout en étant bien plus légères ? La technologie Continuous Fiber Fabrication (dépose de fibre continue) mise au point par Markforged qui associe filament plastique et renforts continus, offre de nouvelles opportunités pour remplacer des pièces en métal.

De nombreux industriels sont confrontés à une accélération nécessaire des délais de production pour des applications fonctionnelles, notamment dans les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile, de la mécanique ou de l’électronique. Le délai pour passer de la conception à la fabrication devient crucial, expliquant ainsi l’intérêt croissant pour les technologies d'impression 3D qui permettent d’obtenir des pièces en quelques heures.

3 exemples d’applications démontrent la valeur ajoutée de la fabrication additive avec la technologie 3D Continuous Fiber Fabrication (CFF) pour réduire les coûts, les temps de développement, et produire des pièces techniques, durables et fiables avec une grande liberté de conception. Les exemples présentés sont basés sur des problématiques réelles auxquelles les différents clients industriels ont répondu avec l'impression 3D CFF.

Le fonctionnement de l'impression 3D CFF

L'imprimante 3D Markforged utilise deux buses d'impression. La buse principale extrude un filament plastique en Onyx PA6 CF, un mélange de polyamide et de fibres courtes de carbone, pour former l'enveloppe extérieure et la matrice interne de la pièce. Une seconde buse dépose des fibres continues sur chaque couche tels que de la fibre de carbone, de verre ou de Kevlar®. Les renforts apportent des caractéristiques mécaniques très élevées à la pièce, qui devient comparable à une pièce fabriquée en métal. Cette technique d’impression 3D allège les pièces avec des structures qui évitent le remplissage interne intégral.

Pièces techniques et résistantes aux cadences

Dans le domaine de la robotique, les pièces produites sont souvent destinées à des applications où le sur-mesure est régulièrement de mise. C’est le cas notamment pour l’industriel ERM Automatismes qui construit et intègre des systèmes robotiques pour l’industrie et l’éducation depuis plus de trente ans. Ayant déjà intégré plusieurs équipements d’impression 3D FFF (dépôt de fil), SLA (stéréolithographie) et SLS (frittage sélectif par laser), la société avait cependant constaté qu’aucun de ceux-ci ne pouvaient imprimer certaines pièces très sollicitées et soumises à d’importantes cadences telles que les mains de préhension qui nécessitent d’être très résistantes. D’un autre côté, les fabrications traditionnelles de ce type de pièces, en aluminium par exemple, sont souvent très coûteuses.

pièces fonctionnelles imprimées en 3D Main de robot en 3D

En utilisant la technologie CFF Markforged, l’objectif était de pouvoir produire des pièces solides et ainsi étendre leurs capacités de fabrication. Avec cette solution basée sur de la fibre de carbone, les pièces imprimées sont en moyenne dix fois moins onéreuses que leurs homologues conçues en métal. Les mains de préhension en fabrication additive sont solides, fiables et peuvent s’intégrer aux systèmes pneumatiques. L’intérêt est également de pouvoir les personnaliser très facilement de façon à les ajuster aux différents systèmes robotiques et environnements de production. Le retour sur investissement pour ERM Automatismes a été immédiat, avec une rentabilisation des imprimantes 3D CFF en seulement six mois.

Prototypes d’empreintes fiables en un temps record

Les empreintes imprimées en 3D jouent un rôle capital pour permettre aux industriels de répondre aux appels d’offre, en accélérant le développement des prototypes. Elles sont également utilisées pour les séries de faible volume en tant qu’outillage de production. Avec la technologie CFF, les étapes de la conception jusqu’à la production sont accélérées et les coûts réduits.

Dans le cas du fabricant Fischer Connectors, qui conçoit des connecteurs pour les appareils électroniques, le défi est de gagner en compétitivité en proposant des solutions réalistes à ses potentiels clients plus rapidement que la concurrence. Bon nombre des principaux clients de Fischer Connectors se trouvent dans le secteur militaire ou médical et opèrent dans des environnements internationaux, il faut ainsi proposer des solutions rapides et efficaces. Les équipes d'ingénieurs sont très souvent amenées à fournir des preuves de concept pour remporter les marchés. Celles-ci se matérialisent sous forme de prototypes de produits finis, dont les composants sont surmoulés par injection. Avec les solutions conventionnelles, la production des outillages nécessaires à l’injection des prototypes se fait généralement sous quatre semaines et engendre des coûts qui se chiffrent en milliers d’euros.

empreinte imprimée en 3D

A nouveau, la technologie CFF peut jouer un rôle important. Avec la fabrication additive, les délais d’impression d’un moule peuvent être réduits à 48, voire 24 heures, pour des coûts moyens de quelques centaines d’euros. La matière Onyx utilisée en impression 3D CFF, associée aux renforts en fibre de verre HSHT, garantit durabilité et résistance aux moules imprimés en 3D. Les coûts moyens de production des prototypes sont ainsi réduits de 97%.

Petites séries de pièces complexes, sur-mesure ou de remplacement

D’autres problématiques concernent les petites séries de pièces complexes, qui sont souvent coûteuses, complexes à sous-traiter et difficiles à produire avec les méthodes traditionnelles. La société AMME, fabricant industriel français de robots de chaîne d'assemblage, recherchait une alternative pour fabriquer un mors de serrage complexe résistant aux contraintes industrielles, à l’origine en aluminium. Le mors de serrage a été réalisé en Onyx, renforcé en fibres de carbone et a démontré sa solidité tout en étant bien plus léger que l’aluminium. En étant dix fois moins chère que la production traditionnelle par des fournisseurs externes, l’impression 3D CFF fait ses preuves et conduit la société AMME à recourir à celle-ci pour environ 10% des pièces qu’elle fabrique ou qu’elle faisait fabriquer.

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