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Les matériaux composites : fibre de carbone ou fibre de verre ?

Les matériaux composites : fibre de carbone ou fibre de verre ?

La fabrication additive se développant, les consommables sont également améliorés pour offrir de meilleures propriétés mécaniques à moindres coûts et ainsi avoir des pièces à la fois légères, résistantes, tenaces, etc… Pour cela, la composition des filaments change et se voit mélangée à des fibres ou des particules. Ces matériaux dit composites peuvent être composés de deux types de fibres : fibre de verre ou fibre de carbone. Les avantages de ces deux fibres sont sensiblement les mêmes mais cependant elles se différencient sur quelques points. Cet article permettra de définir quelle fibre est la plus adaptée pour vos impressions.

Des impressions plus résistantes avec les matériaux composites

Le secteur des matériaux composites se développe et s’améliore de plus en plus au fil des années. Le renfort de fibres devient une méthode indéniable pour améliorer les propriétés finales des impressions 3D à des coûts abordables.

Comment sont conçus les matériaux composites ?

Pour créer les matériaux composites, les fibres de verre et de carbone sont broyées et ajoutées dans la matrice de polymère fondue. Il est aussi possible de retrouver la fibre de verre sous forme de bille. Ces billes de verre permettent de réduire l’effet abrasif des composites.

Plus la fibre est longue, plus la résistance sera améliorée, cependant la longueur des fibres dépend du type de matériau de base utilisé. En effet, en fonction du polymère de base, des fibres longues ou courtes seront plus adaptées : avec le Nylon, des fibres longues sont utilisées alors qu’avec de l’ABS des fibres courts sont plus adaptées.

Par ailleurs, il est souvent recommandé d’utiliser des matrices ayant une forte liaison entre-couche comme le polyamide (PA) ou le polypropylène (PP). Cet avantage permet d’améliorer les caractéristiques mécaniques finales de vos impressions 3D.

Enfin, la fibre de carbone est mélangée à différents matériaux comme le PLA, l’ABS, le PETG ou du PA et du PP. Pour sa part, la fibre de verre est mélangée en tant que composite, le plus souvent, à du Nylon et, dans de rare cas, avec du PP.

Les différents avantages des matériaux composites

Les fibres de carbone ou de verre présentes dans les matériaux composites offrent plus ou moins les mêmes améliorations des propriétés mécaniques, c’est pourquoi il est souvent difficile de choisir entre les deux. Néanmoins, ces deux fibres ont tout de même des différences.

Fibre de verre : une fibre abordable et durable

La fibre de verre est un moyen efficace et abordable pour améliorer les propriétés de vos impressions. Elle offre différents avantages tels qu’une résistance thermique et chimique, une durabilité mais aussi une accentuation de la rigidité.

A la différence de la fibre de carbone, la fibre de verre est assez flexible (par exemple comme du bois de canne à pêche) : une pièce à base de fibre de verre peut se résister à la flexion mais reste tout de même rigide. Comparé au PLA, le polymère le plus rigide, la fibre de verre offre une rigidité supérieure à celui-ci.

Grâce à ces avantages, un matériau composite renforcé avec de la fibre de verre peut servir pour réaliser des prototypes fonctionnels, de l’outillage, des pièces finies, etc. dans n’importe quels secteurs industriels et professionnels.

Fibre de carbone : résistance et légèreté combinées

La fibre de carbone se démarque de la fibre de verre en offrant une plus grande résistance aux hautes températures (pouvant aller jusqu’à 215°C contre 191°C pour la fibre de verre), ainsi qu’une rigidité plus élevée. La fibre de carbone se distingue sur un deuxième point : elle est dotée d’un potentiel de conductivité électrique mais aussi d’ESD.

De plus, selon Markforged, comparé à des métaux comme l’aluminium 6061, la fibre de carbone est aussi rigide et solide tout en étant bien plus légère. Cependant, la fibre de carbone étant aussi rigide qu’un bambou, une pièce imprimée avec ce filament composite ne supporte pas la flexion et se casse très rapidement.

Sa résistance, sa ténacité et sa légèreté permettent à la fibre de carbone d’être utilisée dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de l’architecture, de la défense, du médical, etc. pour la réalisation de pièces finies, de prototypes fonctionnels, des outils de façonnages et bien d’autres encore.

Les limites et les inconvénients des matériaux composites

Les matériaux composites sont une excellente solution pour des pièces 3D plus résistantes tout en étant légères ou rigides. De plus, ces matériaux ne présentent que très peu d’inconvénients ou de limites peu importe la nature de la fibre.

Le premier inconvénient est l’effet abrasif généré par les matériaux composites. Cet effet entraîne une usure très rapide du système d’extrusion ainsi que du feeder s’ils ne sont pas renforcés. De ce fait, pour imprimer des matériaux composites, il est nécessaire de s’équiper d’une buse spéciale en Ruby pouvant supporter l’effet abrasif et ainsi éviter une usure prématurée. 

D’autre part, l’utilisation de matériaux composites peut entraîner des coûts plus importants et un temps de fabrication plus long que ceux possibles avec des matériaux standard comme de l’ABS ou du PETG.

Enfin, dans de rare cas, la rigidité des fibres entraîne la rupture du filament lors de son installation dans l’imprimante 3D. Les matériaux composites peuvent aussi être toxiques lors du ponçage d’une pièce imprimée avec ces matériaux à cause des poussières irritantes des fibres.

Les autres fibres présentes sur le marché

Les fibres de verre et de carbone ne sont pas les seules fibres utilisées pour créer des matériaux composites. D’autres fibres existent étant dotées de caractéristiques remarquables et différentes.

Matériau composite fibre carbone

En effet, la fibre d’aramide (ou de kevlar, nom commercial) présente elle aussi des caractéristiques mécaniques intéressantes. Cette fibre offre un allègement de la pièce imprimée ainsi qu’une bonne résistance aux hautes températures, aux impacts et à la fatigue. De plus, la fibre d’aramide possède un effet abrasif moins important que les composites avec de la fibre de carbone.

Il existe également la fibre de lin, un bio composite doté d’excellentes propriétés mécaniques. La fibre de lin est souvent mélangée à du PLA et bénéficie de la facilité d’impression de ce polymère. Cette fibre permet principalement d’obtenir des pièces plus légères que de l’ABS avec une densité plus faible.

Enfin, certaines fibres sont utilisées uniquement pour leur aspect visuel comme les fibres de bois, de pierre ou encore d’argile. Elles n’apportent pas d’améliorations aux propriétés mécaniques mais offrent un aspect très proche d’un matériau spécifique (granite, béton, brique, argile, marbre …).

Les fibres de verre et de carbone offrent donc des améliorations des propriétés mécaniques intéressantes et utiles pour des utilisations professionnelles et industrielles. Cependant, cela reste nécessaire de suivre les recommandations et conseils d’impression pour éviter toute usure ou difficultés causées par l’abrasion. N’hésitez pas à commenter cet article ou poser une question sur les matériaux composites.

Charly

Charly est expert en impression 3D chez Makershop mais également formateur et rédacteur d'études et d'expertises sur notre blog. Grâce à son expérience, il vous donne des conseils et informations pertinentes sur le marché.

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